DE112014005347T5 - Herstellungsverfahren für integrierte Rechenelemente - Google Patents

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David L. Perkins
Michael T. Pelletier
James M. Price
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Halliburton Energy Services Inc
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Abstract

Offenbart werden Verfahren zum Fertigen eines integrierten Rechenelements zur Verwendung in einer optischen Rechenvorrichtung. Ein Verfahren beinhaltet Folgendes: Bereitstellen eines Substrats, das wenigstens eine erste Fläche und eine zweite Fläche im Wesentlichen gegenüber der ersten Fläche aufweist, Abscheiden mehrerer optischer Dünnschichten auf der ersten und zweiten Fläche des Substrats durch einen Dünnschichtabscheidungsprozess, und dadurch Erzeugen einer mehrlagigen Schichtstapelvorrichtung, Spalten des Substrats, um wenigstens zwei optische Dünnschichtstapel zu erzeugen, und Befestigen von einem oder mehreren der wenigstens zwei optischen Dünnschichtstapel an einem sekundären optischen Element zur Verwendung als ein integriertes Rechenelement (IRE).

Description

  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft optische Verarbeitungselemente und insbesondere Verfahren zum Herstellen oder Fertigen eines integrierten Rechenelements zur Verwendung in einer optischen Rechenvorrichtung.
  • Optische Rechenvorrichtungen, die allgemein auch als „optoanalytische Vorrichtungen“ bezeichnet werden, können zum Analysieren und Überwachen eines Probenmaterials in Echtzeit verwendet werden. Diese optischen Rechenvorrichtungen verwenden häufig eine Lichtquelle, die elektromagnetische Strahlung abstrahlt, die von der Probe reflektiert oder durchgelassen wird und optisch mit einem optischen Verarbeitungselement interagiert, um quantitative und/oder qualitative Werte von einer oder mehreren physikalischen oder chemischen Eigenschaften des analysierten Stoffs zu bestimmen. Das optische Verarbeitungselement kann beispielsweise ein integriertes Rechenelement (IRE) sein. Eine Art eines IRE ist eine optische Dünnschicht-Interferenzvorrichtung, die auch als ein multivariates optisches Element (MOE) bezeichnet wird. Jedes IRE kann dazu ausgelegt sein, über ein Kontinuum von Wellenlängen in dem elektromagnetischen Spektrum hinweg vom UV- bis zum Mittelinfrarot(MIR)-Bereich oder in einer Untergruppe dieses Bereichs zu arbeiten. Elektromagnetische Strahlung, die optisch mit dem Probenmaterial interagiert, wird von dem IRE geändert und verarbeitet, um von einem Detektor gemessen zu werden. Der Ausgang des Detektors kann mit einer physikalischen oder chemischen Eigenschaft des analysierten Stoffs korreliert werden.
  • Ein IRE (im Folgenden „IRE-Kern“) beinhaltet in der Regel eine Vielzahl von optischen Dünnschichtlagen, die aus verschiedenen Materialien, deren Brechungsindex und Größe (z. B. Dicke) zwischen den Lagen variieren kann, besteht. Eine IRE-Kernauslegung bezieht sich auf das Substrat, die Anzahl und Dicke der jeweiligen Lagen und die Brechungsindizes der einzelnen Lagen des IRE-Kerns. Die Lagen können strategisch abgeschieden und bemessen sein, so dass sie vorgegebene Anteile elektromagnetischer Strahlung auf unterschiedlichen Wellenlängen durchlassen, die dazu konfiguriert sind, einen Regressionsvektor, der einer bestimmten interessierenden physikalischen oder chemischen Eigenschaft eines interessierenden Stoffs entspricht, im Wesentlichen nachzuahmen. Entsprechend weist eine IRE-Kern-Auslegung eine Übertragungsfunktion auf, die in Bezug auf die Wellenlänge gewichtet ist. Auf diese Weise kann die Ausgangslichtintensität von dem IRE-Kern, die an den Detektor geleitet wird, mit der interessierenden physikalischen oder chemischen Eigenschaft des Stoffs in Beziehung gesetzt werden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die folgenden Figuren sollen bestimmte Aspekte der vorliegenden Offenbarung veranschaulichen und sind nicht als ausschließliche Ausführungsformen zu betrachten. Der offenbarte Gegenstand kann beträchtlichen Modifikationen, Abänderungen, Kombinationen und Äquivalenten in Form und Funktion unterliegen, ohne vom Umfang dieser Offenbarung abzuweichen.
  • 1 stellt ein beispielhaftes integriertes Rechenelement gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dar.
  • 2 stellt ein schematisches Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Fertigen eines optischen Verarbeitungselements dar, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
  • 3 stellt eine Querschnittseitenansicht einer beispielhaften mehrlagigen Schichtstapelvorrichtung dar, die mittels Atomlagenabscheidung erzeugt wurde, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
  • 4A stellt eine Ansicht der mehrlagigen Schichtstapelvorrichtung of 3 von oben dar, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
  • 4B stellt eine Querschnittseitenansicht einer optische Dünnschichteinheit dar, die aus der mehrlagigen Schichtstapelvorrichtung aus 3 herausgeschnitten oder in anderer Weise geschnitten wurde, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
  • 5 stellt ein schematisches Ablaufdiagramm eines weiteren beispielhaften Verfahrens zum Fertigen eines optischen Verarbeitungselements dar, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
  • 6 stellt eine beispielhafte optische Rechenvorrichtung zum Überwachen eines Probenmaterials gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dar.
  • 7 stellt eine beispielhafte Bohrlochbohrbaugruppe dar, die eine oder mehrere optische Rechenvorrichtungen zum Überwachen einer Bohrlochsubstanz gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen verwenden kann.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft optische Verarbeitungselemente und insbesondere Verfahren zum Herstellen oder Fertigen eines integrierten Rechenelements zur Verwendung in einer optischen Rechenvorrichtung.
  • Die vorliegende Offenbarung beschreibt verbesserte Verfahren zum Fertigen optischer Verarbeitungselemente, wie etwa integrierter Rechenelemente („IRE-Kerne“). In einigen Ausführungsformen werden die mehreren Dünnschichtlagen, die zusammen einen IRE-Kern bilden, in einem Atomlagenabscheidung(ALA)-Prozess auf gegenüberliegenden Seiten eines Substrats abgeschieden. Die resultierende mehrlagige Schichtstapelvorrichtung weist gespiegelte Dünnschichtlagen auf jeder planaren Seite des darunterliegenden Substrats auf. Das Substrat kann dann in zwei Teile gespalten werden, indem ein planarer Schnitt oder eine Trennung vorgenommen wird, wodurch sich Spiegel-IRE-Kerne ergeben, die auf wenigstens einem Abschnitt des verbleibenden Substrats getragen werden. Das Substrat kann dann chemisch oder mechanisch von den Dünnschichtlagen entfernt werden, und die Dünnschichtlagen können anschließend über Flächen gelegt werden, die dem Dünnschichtfertigungsprozess nicht standgehalten hätten oder deren Beschichtung mit ALA-Techniken in anderer Weise unpraktisch gewesen wäre. Entsprechend können sich die offenbarten Ausführungsformen als vorteilhaft bei der Verdoppelung der Produktivität in der Fertigung von IRE-Kernen in einem ALA-Prozess und beim Verwenden der resultierenden IRE-Kerne als eine Art von Aufkleber erweisen, der selektiv an einer Zielfläche angeordnet werden kann.
  • Die vorliegende Offenbarung beschreibt auch das Aufbauen mehrerer Dünnschichtlagen eines IRE-Kerns auf einer Seite eines Substrats, das auf seiner gegenüberliegenden Seite von einer Trägerstruktur in einer Dünnschichtabscheidungskammer getragen wird. Nachdem der IRE-Kern in geeigneter Weise gefertigt wurde, kann das Substrat chemisch oder mechanisch von den Dünnschichtlagen entfernt werden, und die Dünnschichtlagen können anschließend als eine Art Aufkleber an einer Zielfläche angebracht werden, die dem Dünnschichtfertigungsprozess nicht standgehalten hätte.
  • Die hier offenbarten Verfahren können zum Fertigen optischer Verarbeitungselemente (z. B. IRE-Kerne) zur Verwendung in der Öl- und Gasindustrie geeignet sein, etwa zum Überwachen und Nachweisen von Stoffen im Zusammenhang mit Öl und Gas (z. B. Kohlenwassrestoffe, Bohrfluide, Komplettierungsfluide, Behandlungsfluide usw.). Es versteht sich jedoch, dass die hier beschriebenen Verfahren ebenso auf das Fertigen von IRE-Kernen zur Verwendung auf anderen technischen Gebieten anwendbar sind, darunter, ohne Beschränkung darauf, in der Lebensmittelindustrie, der Farbenindustrie, der Bergbauindustrie, der Landwirtschaft, der medizinischen und pharmazeutischen Industrie, der Automobilindustrie, der Kosmetikindustrie, in Wasseraufbereitungsanlagen und auf anderen Gebieten, bei denen es wünschenswert sein kann, Stoffe in Echtzeit zu überwachen.
  • Im hier verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff „Charakteristik“ oder „interessierende Charakteristik“ eine chemische, mechanische oder physikalische Eigenschaft eines Stoffs oder einer Probe des Stoffs. Die Charakteristik eines Stoffs kann einen quantitativen oder qualitativen Wert von einem oder mehreren chemischen Bestandteilen oder einer oder mehreren chemischen Verbindungen beinhalten, die darin vorkommen, oder eine beliebige andere zugehörige physikalische Eigenschaft. Diese chemischen Bestandteile und Verbindungen können hier als „Analyte“ bezeichnet werden. Veranschaulichende Charakteristiken eines Stoffs, die mit der Hilfe der hier beschriebenen optischen Verarbeitungselemente analysiert werden können, können beispielsweise chemische Zusammensetzung (z. B. Identität und Konzentration insgesamt oder von einzelnen Komponenten), Phasenpräsenz (z. B. Gas, Öl, Wasser usw.), Gehalt an Verunreinigungen, pH, Alkalinität, Viskosität, Dichte, Ionenstärke, Gesamtmenge gelöster Feststoffe, Salzgehalt (z. B. Salinität), Porosität, Transparenz, Bakteriengehalt, Gesamthärte, Durchlässigkeit, Aggregatzustand (Feststoff, Flüssigkeit, Gas, Emulsion, Gemische davon usw.), und dergleichen beinhalten.
  • Im hier verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff „Stoff“ oder Abwandlungen davon wenigstens einen Teil eines interessierenden Stoffs oder Materials, das mit der Hilfe der hier beschriebenen optischen Verarbeitungselemente getestet oder beurteilt werden soll. Bei dem Stoff kann es sich um ein beliebiges fließfähiges Fluid handeln, einschließlich partikelförmiger Feststoffe, Flüssigkeiten, Gase (z. B. Luft, Stickstoff, Kohlendioxid, Argon, Helium, Methan, Ethan, Butan und andere Kohlenwasserstoffgase, Schwefelwasserstoff und Kombinationen davon), Schlicker, Emulsionen, Pulver, Schlämme, Gläser, Gemische, Kombinationen davon, und kann, ohne darauf beschränkt zu sein, wässrige Fluide (z. B. Wasser, Salzlösungen usw.), nicht-wässrige Fluide (z. B. organische Verbindungen, Kohlenwasserstoffe, Öl, eine raffinierte Komponente von Öl, petrochemische Produkte und dergleichen), Säuren, Tenside, Biozide, Bleichmittel, Korrosionshemmer, Schaumbildner und Aufschäummittel, Aufbrechmittel, Adsorberharze, Stabilisatoren, Klärungemittel, Reinigungsmittel, Behandlungsfluide, Frakturierungsfluide, Formationsfluide oder jedes, jede bzw. jeden beliebige(n) Ölfeldfluid, Chemikalie oder Stoff beinhalten, das, die bzw. der üblicherweise in der Öl- und Gasindustrie anzutreffen ist. Der Stoff kann auch Feststoffmaterialien wie etwa, ohne darauf beschränkt zu sein, Felsformationen, Beton, massive Bohrlochflächen, Rohre oder Flussleitungen und massive Flächen eines beliebigen Bohrlochwerkzeugs oder Geschosses (z. B. Kugeln, Pfeile, Stopfen usw.) bezeichnen.
  • Im hier verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff „elektromagnetische Strahlung“ Hochfrequenzwellen, Mikrowellenstrahulng, Terahertz-, Infrarot- und Nahinfrarotstrahlung, sichtbares Licht, Ultraviolettlicht, Röntgenstrahlung und Gammastrahlung.
  • Im hier verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff „optisch interagieren“ oder seine Abwandlungen das Reflektieren, Durchlassen, Streuen, Beugen oder Absorbieren von elektromagnetischer Strahlung an, durch oder von einem optischen Verarbeitungselement (z. B. einem integrierten Rechenelement) oder einem Stoff, der mithilfe der optischen Verarbeitungsvorrichtung analysiert wird. Entsprechend bezeichnet Licht mit optischer Interaktion elektromagnetische Strahlung, die beispielsweise mithilfe eines optischen Verarbeitungselements reflektiert, durchgelassen, gestreut, gebeugt oder absorbiert, abgegeben oder erneut abgestrahlt wurde, kann sich jedoch auch auf optische Interaktion mit einem Stoff beziehen.
  • Im hier verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff „optische Rechenvorrichtung“ eine optische Vorrichtung, die dazu konfiguriert ist, eine Eingabe elektromagnetischer Strahlung im Zusammenhang mit einem Stoff zu empfangen und eine Ausgabe elektromagnetischer Strahlung von einem optischen Verarbeitungselement zu erzeugen, das in der optischen Rechenvorrichtung angeordnet oder ihr in anderer Weise zugeordnet ist. Das optische Verarbeitungselement kann beispielsweise ein integriertes Rechenelement (IRE) sein. Die elektromagnetische Strahlung, die optisch mit dem optischen Verarbeitungselement interagiert, wird derart geändert, dass sie von einem Detektor lesbar ist, derart, dass eine Ausgabe des Detektors mit einer bestimmten Charakteristik des analysierten Stoffs korreliert werden kann. Der Ausgang elektromagnetischer Strahlung des Verarbeitungselements kann reflektierte, durchgelassene und/oder gestreute elektromagnetische Strahlung sein. Ob der Detektor reflektierte, durchgelassene oder gestreute elektromagnetische Strahlung analysiert, kann von den Strukturparametern der optischen Rechenvorrichtung sowie anderen Aspekten bestimmt werden, die einschlägigen Fachleuten bekannt sind. Außerdem kann auch die Emission und/oder Streuung des Fluids, beispielsweise mittels Fluoreszenz, Lumineszenz, Raman-, Mie- und/oder Raleigh-Streuung, von den optischen Rechenvorrichtungen überwacht werden.
  • Wie oben angegeben, stellt die vorliegende Offenbarung verbesserte Verfahren zum Herstellen oder Fertigen optischer Verarbeitungselemente, wie etwa integrierter Rechenelemente (IRE-Kerne), zur Verwendung in optischen Rechenvorrichtungen bereit. Im Betrieb kann jeder IRE-Kern elektromagnetische Strahlung im Zusammenhang mit einer interessierenden Eigenschaft eines Stoffs von elektromagnetischer Strahlung im Zusammenhang mit anderen Komponenten eines Stoffs unterscheiden.
  • Bezug nehmend auf 1 stellt diese einen beispielhaften IRE-Kern 100 dar, der mithilfe der vorliegend offenbarten Verfahren gefertigt werden kann, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Wie dargestellt, kann der IRE-Kern 100 eine Vielzahl von alternierenden Dünnschichtlagen 102 und 104 wie etwa Silizium (Si) und SiO2 (Quarz) beinhalten. Allgemein bestehen diese Schichten 102, 104 aus Materialien, deren Brechungsindex jeweils hoch bzw. niedrig ist. Andere Beispiele von Materialien können Niobdioxid und Niob, Germanium und Germaniumdioxid, MgF, SiO, TiO2, Al2O3 und andere auf dem Gebiet bekannte Materialien mit hohem und niedrigem Index beinhalten. Die Lagen 102, 104 können strategisch auf einem Substrat 106 abgeschieden werden. In einigen Ausführungsformen ist das Substrat 106 optisches BK-7-Glas. In anderen Ausführungsformen kann das Substrat 106 eine andere Art von optischem Substrat sein, etwa ein anderes optisches Glas, Silika, Saphir, Silizium, Germanium, Zinkselenid, Zinksulfid oder verschiedene Kunststoffe wie Polycarbonat, Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyvinylchlorid (PVC), Diamant, Keramik, Kombinationen davon und dergleichen.
  • Wie im Folgenden beschrieben wird, kann das Substrat 106 jedoch alternativ aus einem Material hergestellt sein, das in einer einzelnen Ebene spaltbar ist und sich in anderer Weise leicht durch physikalische oder chemische Mittel von den Lagen 102, 104 entfernen lässt. Beispielsweise kann das Substrat 106 aus Glimmer, pyrolitischem Kohlenstoff, Graphit oder Graphen hergestellt sein.
  • Am gegenüberliegenden Ende (z. B. gegenüber dem optischen Substrat 106 aus 1) kann der IRE-Kern 100 eine Lage 108 beinhalten, die allgemein der Umgebung der Vorrichtung oder Installation ausgesetzt ist und ein Probenmaterial erkennen kann. Die Anzahl von Lagen 102, 104 und die Dicke jeder Lage 102, 104 werden anhand von spektralen Attributen bestimmt, die aus einer spektroskopischen Analyse einer Eigenschaft des analysierten Stoffs mithilfe eines üblichen spektroskopischen Instruments erlangt werden. Das interessierende Spektrum einer jeweiligen Eigenschaft beinhaltet in der Regel eine beliebige Anzahl unterschiedlicher Wellenlängen.
  • Es versteht sich, dass der IRE-Kern 100 aus 1 in Wirklichkeit keine bestimmte Eigenschaft eines bestimmten IRE-Kerns darstellt, der zum Erkennen einer bestimmten Characteristik eines jeweiligen Stoffs konfiguriert ist, sondern nur der Veranschaulichung dient. Somit stehen die Anzahl von Lagen 102, 104 und ihre relativen Dicken, wie in 1 gezeigt, nicht mit einem bestimmten Stoff oder einer Charakteristik davon in Zusammenhang. Auch sind die Schichten 102, 104 und ihre relativen Dicken nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet und sind daher nicht als Einschränkung der vorliegenden Offenbarung zu verstehen.
  • In einigen Ausführungsformen kann das Material der einzelnen Schichten 102, 104 dotiert sein, oder zwei oder mehr Materialien können in einer Weise kombiniert werden, um die gewünschte optische Eigenschaft zu erzielen. Neben Feststoffen kann der beispielhafte IRE-Kern 100 auch Flüssigkeiten und/oder Gase enthalten, wahlweise in Kombination mit Feststoffen, um eine gewünschte optische Eigenschaft zu erzeugen. Im Fall von Gasen und Flüssigkeiten kann der IRE-Kern 100 einen entsprechenden Behälter (nicht dargestellt) enthalten, in dem die Gase oder Flüssigkeiten aufgenommen sind. Beispielhafte Variationen des IRE-Kerns 100 können auch holografische optische Elemente, Gitter, piezoelektrische, Hohllichtleiter und/oder akustisch-optische Elemente beinhalten, die beispielsweise Durchlass-, Reflexions- und/oder absorbierende interessierende Eigenschaften erzeugen können.
  • Die mehreren Lagen 102, 104 können verschiedene Brechungsindizes aufweisen. Durch geeignetes Auswählen der Materialien der Schichten 102, 104 und ihrer relativen Dicke und ihres Abstands kann der IRE-Kern 100 dazu konfiguriert sein, vorgegebene Anteile von elektromagnetischer Strahlung auf verschiedenen Wellenlängen durchzulassen oder zu reflektieren. Jede Wellenlänge erhält einen vorgegebenen Gewichtungs- oder Ladungsfaktor. Die Dicke und der Abstand der Lagen 102, 104 kann anhand verschiedener Näherungsverfahren vom Spektrum der interessierenden Charakteristik oder des Analyten bestimmt werden. Diese Verfahren können inverse Fourier-Transformation (IFT) des optischen Übertragungsspektrums und Strukturieren des IRE-Kerns 100 als physikalische Darstellung der IFT beinhalten. Die Näherungen wandeln die IFT auf Grundlage bekannter Materialien mit konstanten Brechungsindizes in eine Struktur um.
  • Die Gewichtungen, die die Lagen 102, 104 des IRE-Kerns 100 auf jeder Wellenlänge anwenden, sind auf die Regressionsgewichtungen festgelegt, die in Bezug auf eine bekannte Gleichung oder Daten oder Spektralsignatur beschrieben werden. Wenn beispielsweise elektromagnetische Strahlung mit einem Stoff interagiert, können einzigartige physikalische und chemische Informationen zu dem Stoff in der elektromagnetischen Strahlung codiert werden, die von dem Stoff reflektiert, durchgelassen oder abgestrahlt wird. Diese Informationen werden oft als spektraler „Fingerabdruck“ des Stoffs bezeichnet. Der IRE-Kern 100 kann dazu konfiguriert sein, das Punktprodukt der empfangenen elektromagnetischen Strahlung und die wellenlängenabhängige Übertragungsfunktion des IRE-Kerns 100 durchzuführen. Die wellenlängenabhängige Übertragungsfunktion des IRE-Kerns 100 hängt vom Materialbrechungsindex der jeweiligen Lage, der Anzahl von Lagen 102, 104 und der Dicke jeder Lage 102, 104 ab. Auf diese Weise hängt die Ausgabelichtstärke des IRE-Kerns 100 mit der interessierenden Eigenschaft oder dem Analyten zusammen.
  • Als weitere Erläuterung stellt das genaue Bestimmen des Regressionsvektors der interessierenden Charakteristik im Probenmaterial ein Mittel für eine optische Rechenvorrichtung bereit, um eine Konzentration der Charakteristik in dem Probenmaterial zu bestimmen oder in anderer Weise zu berechnen. Der Regressionsvektor für jede Characteristik kann anhand von Standardmethoden bestimmt werden, mit denen ein Durchschnittsfachmann vertraut ist. Das Analysieren des Spektrums des Probenmaterials kann beispielsweise das Bestimmen eines Punktprodukts des Regressionsvektors für jede Characteristik des analysierten Probenmaterials beinhalten. Wie ein Durchschnittsfachmann erkennen wird, ist ein Punktprodukt eines Vektors eine skalare Größe (d. h. eine reelle Zahl). Obwohl angenommen wird, dass der Punktproduktwert selbst keine physikalische Bedeutung aufweist (z. B. kann er ein positives oder negatives Ergebnis einer Größe liefern), kann ein Vergleich des Punktproduktwerts eines Probenmaterials mit den Punktproduktwerten, die für bekannte Referenzstandards ermittelt und in einer Kalibrationskurve dargestellt werden, es ermöglichen, den Probenmaterialpunktproduktwert mit einer Konzentration oder einem Wert einer Characteristik zu korrelieren, wodurch sich unbekannte Probenmaterialien genau analysieren lassen.
  • Um das Punktprodukt zu bestimmen, wird schlicht der Regressionskoeffizient des Regressionsvektors auf einer gegebenen Wellenlänge mit der spektralen Intensität auf derselben Wellenlänge multipliziert. Dieser Prozess wird für alle analysierten Wellenlängen wiederholt, und die Produkte werden über den gesamten Wellenlängenbereich summiert, um das Punktprodukt zu ergeben. Fachleute werden erkennen, dass zwei oder more Characteristiken aus einem einzelnen Spektrum des Probenmaterials bestimmt werden können, indem ein entsprechender Regressionsvektor für jede Characteristik angewandt wird.
  • In der Praxis können Informationen von elektromagnetischer Strahlung gewonnen werden, die mit einem Probenmaterial interagiert, indem beispielsweise die elektromagnetische Strahlung von mehreren Proben in Wellenlängenbänder unterteilt wird und für jedes Probenmaterial eine multiple lineare Regression der Bandintensität in Bezug auf eine durch eine andere Messtechnik bestimmte interessierende Characteristik durchgeführt wird. Die gemessene Charakteristik kann durch multiple lineare Regressionstechniken ausgedrückt und modelliert werden, die dem Durchschnittsfachmann vertraut sind. Insbesondere wenn y der gemessene Wert der Konzentration oder Charakteristik ist, kann y wie in Gleichung 1 ausgedrückt werden: y = a0 + a1w1 + a2w2 + a3w3 + a4w4 + .... Gleichung (1) wobei jedes „a“ eine Konstante ist, die durch die Regressionsanalyse bestimmt wird, und „w“ die Lichtintensität für jedes Wellenlängenband ist. Abhängig von den Umständen kann aufgrund des Vorhandenseins anderer Charakteristiken in dem Probenmaterial, die sich auf die Intensität der Wellenlängenbänder auswirken können, die durch Gleichung (1) erlangte Schätzung ungenau sein. Eine genauere Schätzung lässt sich erlangen, indem die elektromagnetische Strahlung hinsichtlich ihrer Hauptkomponenten ausgedrückt wird.
  • Zum Erlangen der Hauptkomponenten werden für verschiedene ähnliche Probenmaterialien unter Verwendung derselben Art elektromagnetischer Strahlung spektroskopische Daten erfasst. Nach der Exposition gegenüber dem jeweiligen Probenmaterial kann beispielsweise die elektromagnetische Strahlung erfasst und die spektrale Intensität bei jeder Wellenlänge für jedes Probenmaterial gemessen werden. Diese Daten können dann gepoolt und einem linearen algebraischen Prozess unterzogen werden, der als Singulärwertzerlegung (SVD) bekannt ist, um die Hauptkomponenten zu bestimmen. Mit der Anwendung von SVD in der Hauptkomponentenanalyse ist der Durchschnittsfachmann vertraut. Kurz ausgedrückt ist die Hauptkomponentenanalyse jedoch eine Dimensionsreduzierungstechnik, die mithilfe von „m“ Spektren mit „n“ unabhängigen Variablen einen neuen Satz von Eigenvektoren erzeugt, die Linearkombinationen der ursprünglichen Variablen sind. Die Eigenvektoren können als neuer Satz von Aufzeichnungsachsen betrachtet werden. Die Primärachse, die als erste Hauptkomponente bezeichnet wird, ist der Vektor, der den Großteil der Datenvariabilität beschreibt. Anschließende Hauptkomponenten beschreiben immer weniger Probenvariabilität, bis die Hauptkomponenten der höheren Ordnung im Wesentlichen nur spektrales Rauschen beschreiben.
  • In der Regel werden die Hauptkomponenten als normierte Vektoren bestimmt. Somit kann jede Komponente einer Probe elektromagnetischer Strahlung als xnzn ausgedrückt werden, wobei xn ein skalarer Multiplikator ist und zn der normierte Komponentenvektor für die n-te Komponente ist. Das heißt, zn ist ein Vektor in einem multi-dimensionalen Raum, in dem jede Wellenlänge eine Dimension ist. Die Normierung bestimmt auf jeder Wellenlänge Werte für eine Komponente, derart, dass die Komponente ihre Form beibehält, und derart, dass die Länge des Hauptkomponentenvektors gleich eins ist. Auf diese Weise weist jeder normierte Komponentenvektor eine Form und eine Größe auf, so dass die Komponenten als die Grundbausteine beliebiger Proben elektromagnetischer Strahlung mit diesen Hauptkomponenten verwendet werden können. Entsprechend kann jede Probe elektromagnetischer Strahlung durch eine Kombination der normierten Hauptkomponenten multipliziert mit den geeigneten skalaren Multiplikatoren beschrieben werden, wie in Gleichung (2) dargestellt: x1z1 + x2z2 + ... + xnzn Gleichung (2)
  • Die Skalarmultiplikatoren xn können als die „Größen“ der Hauptkomponenten in einer jeweiligen Probe elektromagnetischer Strahlung betrachtet werden, wenn sich herausstellt, dass die Hauptkomponenten eine standardisierte Größe aufweisen, die durch die Normierung bereitgestellt wird.
  • Da die Hauptkomponenten orthogonal sind, können sie in relativ einfachen mathematischen Verfahren verwendet werden, um eine Probe elektromagnetischer Strahlung in die Komponentengrößen zu zerlegen, die die Daten in der ursprünglichen Probe elektromagnetischer Strahlung genau beschreiben können. Da die ursprüngliche Probe elektromagnetischer Strahlung auch als ein Vektor im multi-dimensionalen Wellenlängenraum betrachtet werden kann, ist das Punktprodukt des ursprünglichen Signalvektors mit einem Hauptkomponentenvektor die Größe des ursprünglichen Signals in der Richtung des normierten Komponentenvektors. Das heißt, es ist die Größe der normierten Hauptkomponente, die im ursprünglichen Signal vorliegt. Dies entspricht dem Unterteilen eines Vektors in einem dreidimensionalen kartesischen Raum in seine X-, Y- und Z-Komponente. Das Punktprodukt des dreidimensionalen Vektors mit jedem Achsvektor, unter der Annahme, dass jeder Achsvektor eine Größe von 1 aufweist, ergibt die Größe des dreidimensionalen Vektors in jeder der drei Richtungen. Das Punktprodukt des ursprünglichen Signals und eines anderen Vektors, der nicht lotrecht zu den anderen drei Dimensionen ist, stellt redundante Daten bereit, da diese Größe bereits durch zwei oder mehr der orthogonalen Achsen geliefert wird.
  • Da die Hauptkomponenten orthogonal zueinander sind, ist das Punktprodukt einer beliebigen Hauptkomponente und einer beliebigen anderen Hauptkomponente null. Physikalisch bedeutet dies, dass die Komponenten einander nicht beeinflussen. Wenn Daten geändert werden, um die Größe einer Komponente im ursprünglichen elektromagnetischen Strahlungssignal zu ändern, bleiben die anderen Komponenten unverändert. Im analogen kartesischen Beispiel beeinflust die Reduktion der X-Komponente des dreidimensionalen Vektors nicht die Größe der Y- und der Z-Komponente.
  • Die Hauptkomponentenanalyse stellt die geringste Anzahl an orthogonalen Komponenten bereit, die die in den Proben elektromagnetischer Strahlung enthaltenen Daten genau beschreiben kann. Im mathematischen Sinne sind also die Hauptkomponenten Komponenten der ursprünglichen elektromagnetischen Strahlung, die einander nicht beeinflussen und die die kompakteste Beschreibung des Spektralsignals darstellen. Physikalisch ist jede Hauptkomponente ein elektromagnetisches Strahlungssignal, das einen Teil des ursprünglichen elektromagnetischen Strahlungssignals bildet. Jede Hauptkomponente weist über einen bestimmten Wellenlängenbereich innerhalb des ursprünglichen Wellenlängenbereichs hinweg eine Form auf. Das Summieren der Hauptkomponenten kann das ursprüngliche Signal erzeugen, vorausgesetzt, jede Komponente weist die richtige Größe auf, sei sie positiv oder negativ.
  • Die Hauptkomponenten können eine Komprimierung der Informationen umfassen, die im Gesamtlichtsignal enthalten sind. In physikalischem Sinn beschreiben die Form und der Wellenlängenbereich der Hauptkomponenten, welche Informationen im gesamten elektromagnetischen Strahlungssignal vorliegen, und die Größe jeder Komponente beschreibt, wie viele dieser Informationen vorliegen. Wenn mehrere Proben elektromagnetischer Strahlung dieselben Arten von Informationen enthalten, jedoch in unterschiedlichen Mengen, so kann ein einzelner Satz von Hauptkomponenten benutzt werden, um jede Probe elektromagnetischer Strahlung zu beschreiben (mit Ausnahme von Rauschen), indem geeignete Größen auf die Komponenten angewandt werden. Die Hauptkomponenten können verwendet werden, um auf Grundlage der von der elektromagnetischen Strahlung, die mit diesem Probenmaterial interagiert hat, mitgeführten Informationen verwendet werden, eine Schätzung der Charakteristik des Probenmaterials bereitzustellen. In Spektren von Probenmaterialien mit variierenden Mengen eines Analyten oder Werten einer Charakteristik beobachtete Differenzen können als Differenzen in den Größen der Hauptkomponenten beschrieben werden. Somit kann die Konzentration der Charakteristik durch die Hauptkomponenten gemäß Gleichung (3) ausgedrückt werden, für den Fall, dass vier Hauptkomponenten verwendet werden: y = a0 + a1x1 + a2x2 + a3x3 + a4x4 Gleichung (3) wobei „y“ eine Konzentration oder ein Wert einer Charakteristik ist, „a“ jeweils eine durch die Regressionsanalyse bestimmte Konstante ist und x1, x2, x3 und x4 jeweils die erste, zweite, dritte bzw. vierte Hauptkomponentegröße sind. Gleichung (3) kann als ein Regressionsvektor bezeichnet werden. Der Regressionsvektor kann zum Bereitstellen einer Schätzung der Konzentration oder des Werts der Charakteristik für eine unbekannte Probe verwendet werden.
  • Regressionsvektorberechnungen können mittels Computer auf Grundlage von Spektrografenmessungen elektromagnetischer Strahlung nach Wellenlänge durchgeführt werden. Das Spectrografensystem verteilt die elektromagnetische Strahlung in sein Spektrum und misst die spektrale Intensität auf jeder Wellenlänge im Wellenlängenbereich. Mithilfe von Gleichung (3) kann der Computer die Intensitätsdaten einlesen und die Probe elektromagnetischer Strahlung in die Hauptkomponentengrößen xn zerlegen, indem er das Punktprodukt des Gesamtsignals mit jeder Komponente bestimmt. Die Komponentengrößen werden dann auf die Regressionsgleichung angewandt, um eine Konzentration oder einen Wert der Charakteristik zu bestimmen.
  • Zur Vereinfachung des vorstehenden Ablaufs kann der Regressionsvektor jedoch in eine Form in Abhängigkeit der Wellenlänge umgewandelt werden, so dass nur ein Punktprodukt bestimmt wird. Jeder normierte Hauptkomponentevektor zn weist einen Wert über den gesamten Wellenlängenbereich oder über einen Teil davon auf. Wenn jeder Wellenlängenwert jedes Komponentenvektors mit der Regressionskonstante und entsprechend dem Komponentenvektor multipliziert wird, und wenn die resultierenden gewichteten Hauptkomponenten nach Wellenlänge summiert werden, nimmt der Regressionsvektor die Form von Gleichung (4) an: y = a0 + b1u1 + b2u2 + ... + bnun Gleichung (4) wobei a0 die erste Regressionskonstante aus Gleichung (3) ist, bn die Summe des Vielfachen jeder Regressionskonstante an aus Gleichung (3) und des Werts ihres jeweiligen normierten Regressionsvektors auf Wellenlänge „n“ ist und un die Intensität der elektromagnetischen Strahlung auf Wellenlänge „n“ ist. Die neuen Konstanten definieren somit einen Vektor im Wellenlängenraum, der unmittelbar eine Konzentration oder Charakteristik eines Probenmaterials beschreibt. Der Regressionsvektor in Form von Gleichung (4) stellt das Punktprodukt einer Probe elektromagnetischer Strahlung mit diesem Vektor dar.
  • Die Normierung der Hauptkomponenten versieht die Komponenten mit einem zufälligen Wert zur Verwendung während der Regressionsanalyse. Entsprechend ist es sehr unwahrscheinlich, dass der von dem Regressionsvektor erzeugte Punktproduktwert gleich dem tatsächlichen Konzentrations- oder Charakteristikwert eines analysierten Probenmaterials ist. Das Punktproduktergebnis ist jedoch proportional zum Konzentrations- oder Charakteristikwert. Wie oben erörtert, kann der Proportionalitätsfaktor bestimmt werden, indem eine oder mehrere bekannte Kalibrationsproben mithilfe üblicher Mittel gemessen und das Ergebnis mit dem Punktproduktwert des Regressionsvektors verglichen wird. Anschließend kann das Punktproduktergebnis mit dem Wert verglichen werden, der aus den Kalibrationsstandards erlangt wurde, um die Konzentration oder Charakteristik einer analysierten unbekannten Probe zu bestimmen.
  • Bezug nehmend auf 2 und weiterhin unter Bezugnahme auf 1 wird ein schematisches Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 200 zum Fertigen eines optischen Verarbeitungselements gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dargestellt. Optische Verarbeitungselemente, die sich durch das Ausführen des Verfahrens 200 ergeben, können im Wesentlichen dem IRE-Kern 100 aus 1 gleichen, und in anderer Weise zum Analysieren eines Probenmaterial für einen interessierenden Analyten oder eine interessierende Charakteristik im Zusammenhang mit dem Probenmaterial nützlich sein.
  • Gemäß dem Verfahren 200 kann zunächst ein Substrat für das optische Verarbeitungselement bereitgestellt werden, wie bei 202. Ein geeignetes Substrat kann ähnlich dem Substrat 106 sein, das oben unter Bezugnahme auf 1 beschrieben wurde. Vorzugsweise weist das Substrat optische Eigenschaften auf, die zu der interessierenden optischen Bandbreite konform sind (d. h. im Wesentlichen flach und mit einem Profil mit hohem Durchlässigkeitsanteil). Zu geeigneten Substratmaterialien gehören auch solche, die eine physikalische Stabilität aufweisen, die ausreicht, um erhöhten Temperaturen und extremen Bedingungen standzuhalten, die in der Regel mit Dünnschichtabscheidungsprozessen und -techniken einhergehen.
  • In wenigstens einer Ausführungsform kann das Substrat allgemein scheibenförmig sein und daher eine erste Fläche und eine zweite Fläche beinhalten, die gegenüber oder im Wesentlichen gegenüber der ersten Fläche liegt. In Ausführungsformen, in denen die erste und zweite Fläche im Wesentlichen einander gegenüberliegen, können die erste und zweite Fläche planare Flächen sein, die parallel zueinander oder geringfügig von der Parallelen versetzt sind, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen.
  • In einigen Ausführungsformen kann das Substrat aus einem Material hergestellt sein, das in einer einzelnen Ebene spaltbar ist, derart, dass es anschließend mithilfe mechanischer Mittel in der Ebene gespalten oder in anderer Weise von dem optischen Verarbeitungselement entfernt werden kann. In anderen Ausführungsformen kann das Substrat aus einem Material hergestellt sein, das mittels chemischer Mittel von dem optischen Verarbeitungselement entfernt werden kann. In wieder anderen Ausführungsformen kann das Substrat aus einem Material hergestellt sein, das sowohl mittels mechanischer als auch chemischer Mittel von dem optischen Verarbeitungselement entfernt werden kann. Zu geeigneten Materialien für das Substrat gehören, ohne darauf beschränkt zu sein, Glimmer, pyrolitischer Kohlenstoff, Graphit, Graphen und beliebige andere Materialien, die im Wesentlichen ähnliche chemische Zusammensetzungen oder Atomstrukturen aufweisen. In wenigstens einer Ausführungsform kann das Substrat ein Salz (d. h. NaCl) sein, das poliert und dann mit Aluminium blitzbeschichtet wird, um die gewünschte reaktive Fläche für ein Substrat zu erhalten. In wieder anderen Ausführungsformen kann das Substrat ein Kunststoff, wie etwa Polyethylenterephthalat (PET), oder eine oder mehrere Zelluloseschichten sein.
  • In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren 200 das Vorbereiten der Fläche des Substrats beinhalten, wie bei 204. Das Vorbereiten der Fläche des Substrats kann das Reduzieren der Dicke des Substrats beinhalten, bis eine gewünschte oder vorgegebene Dicke des Substrats erzielt wird. In einigen Ausführungsformen kann die Dicke des Substrats durch chemische Mittel wie etwa Ätzen oder Oxidation reduziert werden. In einer anderen Ausführungsform, insbesondere in Ausführungsformen, in denen das Substrat Graphit ist, kann die Dicke des Substrats nach und nach durch Spalten der Fläche des Substrats reduziert werden, wodurch einzelne Lagen oder Blätter aus Graphen erzeugt werden. In wenigstens einer Ausführungsform können beispielsweise die Graphenblätter als ein geeignetes Substrat verwendet werden. Entsprechend kann das Substrat eine sehr geringe Dicke aufweisen, wie etwa im Bereich von einigen wenigen Angström.
  • In anderen Ausführungsformen kann das Vorbereiten der Fläche des Substrats chemisches Behandeln der Fläche des Substrats beinhalten, damit es empfänglicher oder aufnahmefähiger für einen bestimmten Dünnschichtabscheidungsprozess wird. Falls beispielsweise Atomlagenabscheidung (ALA) verwendet wird, kann der ALA-Prozess oberflächenselektiv sein. Mit anderen Worten, einige der Materialien, mit denen die Lagen (d. h. die Lagen 102, 104 aus 1) des optischen Verarbeitungselements aufgebaut wurden, können möglicherweise nicht chemisch binden oder in anderer Weise an das fragliche Substrat haften. Zur Berücksichtigung von chemischen Lagenzusammensetzungen, die nicht direkt an das fragliche Substrat anhaften, kann die Fläche des Substrats beschichtet oder in anderer Weise mit einem reaktiven Mittel vorbehandelt werden, wie etwa Aluminium, Titan, Silizium, Germanium, Indium, Gallium und Arsen. Dies kann durch Sputter-Techniken geschehen, die einschlägigen Fachleuten bekannt sind. Das reaktive Mittel kann dann umgesetzt werden, um eine Oxidfläche zu erzeugen, die besser auf ALA-Techniken anspricht. In anderen Ausführungsformen kann die Fläche des Substrats mit einem Oxidationsprodukt behandelt werden, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen.
  • Sobald die Fläche des Substrats passend oder geeignet vorbereitet wurde, können durch einen Dünnschichtabscheidungsprozess mehrere optische Dünnschichten auf dem Substrat abgeschieden werden, um eine mehrlagige Schichtstapelvorrichtung zu erzeugen, wie bei 206. In der vorliegenden Ausführungsform kann der Dünnschichtabscheidungsprozess ein ALA-Prozess sein, wie er unter einschlägigen Fachleuten allgemein bekannt ist. In im Folgenden erörterten Ausführungsformen kann der Dünnschichtabscheidungsprozess jedoch eine beliebige unter einschlägigen Fachleuten bekannte chemische oder physikalische Dünnschichtabscheidungstechnik sein, darunter, ohne darauf beschränkt zu sein, Metallisieren, Abscheiden chemischer Lösungen, Schleuderbeschichten, chemische Gasphasenabscheidung, plasmagestützte chemische Gasphasenabscheidung, physikalische Gasphasenabscheidung, Sputtering, gepulste Laserabscheidung, Kathodenbogenabscheidung, elektrohydrodynamische Abscheidung (d. h. Electrosprayabscheidung) und ionengestützte Elektronenstrahlabscheidung.
  • In der vorliegenden Ausführungsform kann das Unterziehen des Substrats einem ALA-Prozess, wie bei 206, das Anordnen des Substrats in einer ALA-Reaktionskammer beinhalten. Das Substrat kann in der ALA-Reaktionskammer aufgehängt werden, derart, dass beide planaren Seiten des Substrats auf jeder Stufe des Abscheidungsprozesses gleichmäßig beschichtet werden. In wenigstens einer Ausführungsform kann das Substrat zum richtigen Aufhängen des Substrats in der ALA-Reaktionskammer an einer Klemme oder einer anderen der ALA-Reaktionskammer zugehörigen Haltestruktur befestigt werden.
  • Sobald das Substrat geeignet in der ALA-Reaktionskammer angeordnet (d. h. aufgehängt) wurde, kann der ALA-Prozess ausgeführt werden, um nacheinander (d. h. aufeinander folgend) die verschiedenen Lagen (d. h. Lagen 102, 104 aus 1) auf dem Substrat aufzuwachsen. Kurz gesagt beinhaltet dieser Prozess das Einleiten einer ersten gasförmigen Verbindung oder eines „Präcursors“ in die ALA-Reaktionskammer, um chemisch an das Substrat zu binden; Spülen oder Evakuieren der ALA-Reaktionskammer, um nicht umgesetzten Präcursor und/oder gasförmige Reaktionsnebenprodukte zu entfernen; Einleiten eines zweiten Präcursors in die ALA-Reaktionskammer, um chemisch mit dem an das Substrat gebundenen Präcursor des vorherigen Zyklus zu reagieren, um eine Einzellage zu bilden; Spülen oder Evakuieren der ALA-Reaktionskammer, um nicht umgesetzten Präcursor und/oder gasförmige Reaktionsnebenprodukte des zweiten Präcurses zu entfernen; und Wiederholen der genannten Schritte so häufig wie notwendig, um die gewünschte Anzahl von Lagen und die gewünschte Dicke jeder Lage zu erzielen.
  • Aufgrund der von selbst anhaltenden Reaktionen, die der ALA-Verarbeitung inhärent sind, ist ALA als ein oberflächengesteuerter Prozess charakterisiert, wobei die vorherrschenden Prozessparameter für die Steuerung die Präcursoren (und ihre Fließgeschwindigkeiten), das Substrat und die Umgebungstemperatur in der ALA-Reaktionskammer beinhalten. Aufgrund der den ALA-Prozessen inhärenten Oberflächensteuerung sind die resultierenden auf dem Substrat abgeschiedenen Lagen auf beiden Seiten des Substrats äußerst oberflächentreu und anderweitig gleichmäßig in ihrer Dicke.
  • Kurz Bezug nehmend auf 3 und weiterhin unter Bezugnahme auf 2 ist eine Querschnittseitenansicht einer beispielhaften mehrlagigen Schichtstapelvorrichtung 300 dargestellt, die mittels des vorstehenden ALA-Prozesses erzeugt werden kann, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Wie in 3 gezeigt, ist das Substrat 106 in einer Vielzahl von alternierenden Dünnschichtlagen 102 und 104 eingeschlossen oder in anderer Weise davon bedeckt, ähnlich solchen, wie sie oben unter Bezugnahme auf 1 beschrieben wurden. Es sei angemerkt, dass die Anzahl von Lagen 102, 104 und ihre relativen Dicken, wie in 3 gezeigt, nicht maßstabsgetreu sind und daher nicht als die vorliegende Offenbarung einschränkend zu verstehen sind.
  • Insbesondere sind die Lagen 102, 104 gleichmäßig auf allen Seiten des Substrats 106 abgeschieden dargestellt. Genauer weist das Substrat 106 eine erste und zweite Fläche 302a und 302b auf, und die Lagen 102, 104 werden gleichmäßig auf jeder Fläche 302a, b aufgebaut oder „aufgewachsen“. Entsprechend weist die mehrlagige Schichtstapelvorrichtung 300 Lagen 102, 104 auf, die auf den einzelnen Flächen 302a, b gespiegelt sind.
  • In wenigstens einer Ausführungsform kann die anfängliche oder erste Lage 102, die auf dem Substrat abgeschieden wird, aus einem Metalloxidmaterial hergestellt sein, wie etwa Aluminiumoxid (Al2O3) oder Titandioxid (TiO2). Es versteht sich, dass das Oxidmaterial der ersten Lage 102 sich als vorteilhaft beim Erzeugen einer guten Anhaftung an dem Substrat 106 erweisen kann und dadurch die Dünnschichten vor einem versehentlichen Entfernen von dem Substrat 106 schützen kann. In einigen Ausführungsform können eine oder beide der ersten und letzten Lagen 102, 104 der mehrlagigen Schichtstapelvorrichtung 300 in einer Dicke abgeschieden werden, die größer als die anderer dazwischen liegender Lagen 102, 104 ist. Es versteht sich, dass das Bereitstellen einer dickeren ersten und/oder letzten Lage 102, 104 eine größere mechanische Kernfestigkeit für die mehrlagige Schichtstapelvorrichtung 300 bereitstellen kann, wodurch sich eine robustere mehrlagige Schichtstapelvorrichtung 300 ergibt.
  • Erneut Bezug nehmend auf 2 kann das Verfahren 200 auch das Spalten des Substrats beinhalten, um wenigstens zwei spiegeloptische Dünnschichtstapel zu erzeugen, wie bei 208. Einschlägige Fachleute werden ohne Weiteres erkennen, dass es mehrere Möglichkeiten zum Spalten des Substrats gibt. In einer Ausführungsform beispielsweise kann der optische Dünnschichtstapel in zwei Teile gespalten werden, indem ein planarer Schnitt durch das Substrat vorgenommen wird. Dies kann beispielsweise mit einem Laser oder einem fokussierten Ionenstrahl geschehen. In anderen Ausführungsformen kann das Substrat mechanisch getrennt werden, etwa durch Anwenden einer Scherlast auf das Substrat, die bewirkt, dass das Substrat an einer zugehörigen Atomlage abgeschert wird. Da das Substrat aus einem spaltbaren Material hergestellt ist, das entlang einer kristallografischen Achse abscherbar ist, beeinträchtigt das mechanische Spalten des Substrats möglicherweise nicht die Integrität des spiegeloptischen Dünnschichtstapels.
  • In wieder anderen Ausführungsformen können eine oder mehrere weitere Lagen auf dem Substrat abgeschieden werden, die andere Wärmeexpansionskoeffizienten als die anderen Dünnschichtlagen in der Abscheidungsebene aufweisen. Auf der mehrlagigen Schichtstapelvorrichtung kann sich das Substrat unter Annahme einer großen Temperaturveränderung an den Lagen mit unterschiedlichen Wärmeexpansionskoeffizienten trennen. In einigen Ausführungsformen kann dies beispielsweise durch Abscheiden von Lagen aus Aluminium, durchsetzt (z. B. alternierend) mit einer oder mehreren Lagen aus Eisenoxiden erreicht werden. Diese alternierenden Lagen können sich beim Erzeugen einer Wärmereaktion als vorteilhaft erweisen, die eine Trennung des Substrats bewirkt.
  • In einigen Ausführungsform kann das Verfahren 200 vor oder nach dem Spalten des Substrats das Unterteilen der mehrlagigen Schichtstapelvorrichtung/-stapel in mehrere kleinere optische Dünnschichteinheiten beinhalten, wie bei 210. In einigen Ausführungsform kann die mehrlagige Schichtstapelvorrichtung 300 aus 3 somit in mehrere kleinere optische Dünnschichteinheiten unterteilt werden, bevor das darunterliegende Substrat 106 gespalten wird. In anderen Ausführungsformen dagegeben kann nach dem Spalten des Substrats 106 der mehrlagigen Schichtstapelvorrichtung 300 zum Erzeugen des spiegeloptischen Dünnschichtstapels, wie bei 208 oben, jeder resultierende optische Dünnschichtstapel in mehrere kleinere optische Dünnschichteinheiten unterteilt werden.
  • Unter Bezugnahme auf 4A und 4B und weiterhin unter Bezugnahme auf 3 sind Ansichten der mehrlagigen Schichtstapelvorrichtung 300 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dargestellt. Insbesondere zeigt 4A eine Ansicht der mehrlagigen Schichtstapelvorrichtung 300 von oben, und 4B stellt eine Querschnittseitenansicht einer optischen Dünnschichteinheit dar, die aus der mehrlagigen Schichtstapelvorrichtung 300 herausgeschnitten oder in anderer Weise abgeschnitten wurde.
  • Wie in 4A gezeigt, ist das Substrat 106, das zum Tragen der mehreren optischen Dünnschichtlagen 102, 104 dient, allgemein kreisförmig, wodurch sich eine allgemein kreisförmige mehrlagige Schichtstapelvorrichtung 300 ergibt. Die mehrlagige Schichtstapelvorrichtung 300 ist als in vier optische Dünnschichteinheiten 402 (die als optische Dünnschichteinheiten 402a, 402b, 402c und 402d gezeigt sind) unterteilt (z. B. vereinzelt, abgeteilt, portioniert usw.) dargestellt. Das Unterteilen der mehrlagigen Schichtstapelvorrichtung 300 in mehrere optische Dünnschichteinheiten 402a–d kann mittels verschiedener Dünnschichtwürfelungstechniken erreicht werden, die einschlägigen Fachleuten bekannt sind, wie etwa Laservereinzeln.
  • Jede optische Dünnschichteinheit 402a–d beinhaltet einen Abschnitt des Substrats 106 und, ähnlich wie die mehrlagige Schichtstapelvorrichtung 300 aus 3 beinhaltet jede optische Dünnschichteinheit 402a–d gespiegelte Stapel von Lagen 102, 104, die gleichmäßig auf den einzelnen Flächen 302a, b des Substrats 106 aufgebaut oder aufgewachsen sind. 4B stellt eine Querschnittseitenansicht der ersten optischen Dünnschichteinheit 402a dar, doch versteht es sich, dass die anderen optischen Dünnschichteinheiten 402b–d im Wesentlichen eine ähnliche Struktur aufweisen würden. Es versteht sich auch, dass zwar nur vier optische Dünnschichteinheiten 402a–d in 4A gezeigt sind, die mehrlagige Schichtstapelvorrichtung 300 jedoch in mehr oder weniger als vier optische Dünnschichteinheiten 402a–d vereinzelt werden kann, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. Die Anzahl optischer Dünnschichteinheiten hängt vor allem von der Größe des Substrats 106 und der gewünschten Größe der resultierenden optischen Verarbeitungselemente ab.
  • Erneut Bezug nehmend auf 2, kann, sobald die optischen Dünnschichteinheiten erfolgreich vereinzelt oder in anderer Weise von der mehrlagigen Schichtstapelvorrichtung abgeteilt wurden, das Substrat jeder optischen Dünnschichteinheit abgespalten werden, wie bei 208 und wie oben allgemein beschrieben. Das Spalten der optischen Dünnschichteinheiten am Substrat bewirkt, dass entsprechende optische Dünnschichtstapel einen Abschnitt des Substrats aufweisen, der darauf zurückbleibt.
  • Das Verfahren 200 kann dann das Entfernen der verbleibenden Abschnitte des Substrats von dem optischen Dünnschichtstapel beinhalten, wie bei 212, wodurch sich entsprechende Stapel optischer Dünnschichten ergeben, die als IRE-Kerne verwendet werden können, wie oben allgemein beschrieben. Es sei angemerkt, dass das „Entfernen“ des Substrats von dem optischen Dünnschichtstapel auch das Minimieren der Dicke des Substrats und anderweitige nicht vollständige Entfernen aller Reste des Substrats von den optischen Dünnschichten beinhaltet. Entsprechend werden die Begriffe „Entfernen“ und „Minimieren“ hier austauschbar verwendet, doch erfolgt die Erörterung allgemein hinsichtlich des „Entfernens“ des Substrats.
  • Das Substrat kann chemisch oder mechanisch von dem optischen Dünnschichtstapel entfernt werden. Beim chemischen Entfernen des Substrats können Lagen des Substrats entfernt werden, indem das Substrat einer Oxidation bei niedriger Temperatur unterzogen wird. In anderen Ausführungsformen können Lagen des Substrats entfernt werden, indem das Substrat einer Oxidation bei erhöhter Temperatur unterzogen wird, etwa indem das Substrat Sauerstoff (O2) oder Ozon (O3) ausgesetzt und das Substrat dadurch verbrannt wird. In wieder anderen Ausführungsformen kann das Substrat entfernt werden, indem der optische Dünnschichtstapel in einem Lösungsmittelbad angeordnet wird und ein Lösungsmittel mit dem Substrat umgesetzt wird oder es in anderer Weise ätzt oder auflöst. Verunreinigung lässt sich kontrollieren, indem die Substrate bei verminderten Drücken verarbeitet werden.
  • Beim mechanischen Entfernen des Substrats können Lagen des Substrats nacheinander mithilfe von Scherkräften entfernt werden, die tangential auf das Substrat ausgeübt werden. In anderen Ausführungsform, insbesondere im Fall von Graphit, kann übliches Klebeband verwendet werden, um Atomlagen von Graphit (d. h. Graphenlagen) nacheinander oder systematisch zu entfernen, bis eine gewünschte Dicke des Substrats verbleibt oder das Substrat vollständig von der ersten Lage entfernt wurde. In wieder anderen Ausführungsformen können die optischen Dünnschichten flexibel oder biegsam sein, derart, dass bei einem leichten Biegen des optischen Dünnschichtstapels durch Ausüben einer mechanischen Kraft auf gegenüberliegenden Seiten des Stapels das Substrat von der ersten Lage „abplatzen“ kann oder in anderer Weise mit Kraft vom optischen Dünnschichtstapel entfernt wird. Dies kann der Fall sein, wenn das Substratmaterial beispielsweise Glimmer ist.
  • Es sei angemerkt, dass das Substrat vor dem (oder anstelle des) Spaltens des Substrats entfernt werden kann. Entsprechend können in wenigstens einer Ausführungsform die Schritte 210 und 212 des Verfahrens 200 umgekehrt sein, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. In diesen Fällen können die chemischen oder mechanischen Verfahren zum Entfernen des Substrats auch zu einem Spalten des Substrats führen, wie bei 208, wodurch sich die entsprechenden optischen Dünnschichtstapel ergeben.
  • In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren 200 ferner das Anordnen der IRE-Kerne auf einer Zielfläche beinhalten, wie bei 214. Insbesondere können die IRE-Kerne, die sich durch das Spalten und/oder Unterteilen der mehrlagigen Schichtstapelvorrichtung ergeben, an einem sekundären optischen Element angebracht oder in anderer Weise angeklebt werden, das entweder dem ALA-Prozess (oder anderen Dünnschichtabscheidungsprozess) nicht standgehalten hätte oder dessen Anordnung in der ALA-Reaktionskammer schwierig gewesen wäre. Bei dem sekundären optischen Element kann es sich um ein beliebiges optisches Element, eine beliebige optische Vorrichtung, einen beliebigen optischen Mechanismus oder eine beliebige optische Komponente handeln, das, die bzw. der in den hier beschriebenen optischen Rechenvorrichtungen verwendet werden kann, und der IRE-Kern kann darin arbeiten, um interessierende Analyten eines Probenmaterials zu bestimmen. Das sekundäre optische Element kann, ohne darauf beschränkt zu sein, ein Abschnitt eines Filterrads, ein Bandpassfilter, eine Linse, eine Fläche eines Lichtwellenleiters, ein Abtastfenster, ein optisches Saphirelement, ein nicht planares optisches Element (z. B. die Fläche einer Lampe, Glühbirne oder anderen Quelle elektromagnetischer Strahlung) und ein Detektor sein.
  • In einigen Ausführungsformen können die IRE-Kerne manuell an dem sekundären optischen Element angeordnet werden. Dies kann von Hand oder mithilfe eines Werkzeugs oder einer Vorrichtung wie etwa einer Zange, einer Pinzette oder dergleichen geschehen. In Ausführungsformen, in denen das Substrat Graphit ist und wenigstens ein Abschnitt des Graphitsubstrats an einem jeweiligen IRE-Kern zurückbleibt, kann eine Magnetpinzette verwendet werden, um die Position des jeweiligen IRE-Kerns zu verändern. Wie im Stand der Technik bekannt, ist Graphit ein diamagnetisches Material, das im Allgemeinen ein Magnetfeld erzeugt, das einem angelegten Magnetfeld entgegengesetzt ist. Entsprechend kann eine Magnetpinzette verwendet werden, um den jeweiligen IRE-Kern zwischen den entgegengesetzten Magneten der Pinzette zu erfassen und anzuheben. Der jeweilige IRE-Kern kann dann zu einer Zielfläche des sekundären optischen Elements gebracht und in geeigneter Weise darauf angeordnet werden.
  • Der IRE-Kern kann mit einem Klebstoff an der Zielfläche befestigt werden. In wenigstens einer Ausführungsform kann die Magnetpinzette (oder ein anderer Magnet) verwendet werden, um eine magnetische Klemm- oder Verankerungskraft auf den IRE-Kern an der Zielfläche auszuüben, bis der Klebstoff ausreichend gehärtet ist. Die magnetische Abstoßung, die der Magnet auf den Graphitabschnitt des IRE-Kerns ausübt, lässt den IRE-Kern sicher auf der Zielfläche verbleiben. Zu geeigneten Klebstoffen gehören optisch transparenter Klebstoff oder jeder Klebstoff, der keine oder so gut wie keine spektralen Merkmale aufweist. In einigen Ausführungsformen kann der Klebstoff jedoch um den Umfang des IRE-Kerns (und nicht an seinen zentralen Positionen) aufgebracht werden, so dass Licht, das durch den IRE-Kern und das sekundäre optische Element tritt, von dem Klebstoff nicht beeinträchtigt wird. Sobald der Klebstoff getrocknet ist, kann die magnetische Klemmkraft vom IRE-Kern entfernt werden, und bei Bedarf können die übrigen Abschnitte des Substrats chemisch geätzt oder in anderer Weise von den optischen Dünnschichtlagen entfernt werden.
  • In anderen Ausführungsformen kann der IRE-Kern an der Zielfläche mithilfe bekannter Sinter-, Schweiß- oder Bonding-Techniken an das sekundäre optische Element gebondet oder in anderer Weise daran angebracht werden. Zu solchen Bonding-Techniken können, ohne darauf beschränkt zu sein, Niedrigtemperatur-Glasfritt-Bonding, Glaslöten, Dichtungsglas-Bonding, Druck-Bonding und Wafer-Bonding gehören. In diesen Ausführungsformen können die Kanten des IRE-Kerns an die Zielfläche gesintert werden. In Ausführungsformen, in denen die Zielfläche aus einem Glas oder Kunststoff mit niedriger Schmelztemperatur hergestellt ist, kann die Zielfläche teilweise geschmolzen werden, um den IRE-Kern sicher an das sekundäre optische Element zu bonden.
  • In wieder anderen Ausführungsformen können die verbleibenden Abschnitte des Substrats auf dem IRE-Kern chemisch geätzt oder in anderer Weise umgesetzt werden, um eine ausreichende Anhaftung an dem sekundären optischen Element zu bilden. Genauer kann ein Magnet oder eine andere magnetische Vorrichtung (d. h. Magnetpinzette usw.) verwendet werden, um den IRE-Kern gegen die Zielfläche zu drücken oder anderweitig daran zu verankern, während das Substrat chemisch geätzt oder umgesetzt wird. Nach dem chemischen Umsetzen des Substrats mit Sauerstoff (O2) oder Ozon (O3) beispielsweise kann der resultierende Verbrennungsprozess eine Kunststoff- oder Glaszielfläche des sekundären optischen Elements teilweise schmelzen und dadurch den IRE-Kern daran bonden.
  • Das Anordnen der IRE-Kerne auf der Zielfläche, wie bei 214, kann auch in einem Lösungsmittelbad geschehen. Insbesondere können die IRE-Kerne in Ausführungsformen, in denen das Substrat chemisch in einem Lösungsmittelbad entfernt wird, wie bei 212, nach dem Auflösen oder Ätzen des Substrats in dem Lösungsmittelbad schwimmen. In diesen Fällen kann ein sekundäres optisches Element durch das Lösungsmittelbad nach oben oder in anderer Weise darin bewegt werden, um den IRE-Kern unter Ausnutzung von Oberflächenspannungskräften zu erfassen. Der jeweilige IRE-Kern kann mit dem sekundären optischen Element an der Zielposition in Eingriff treten und sich über dessen Oberfläche legen. In anderen Ausführungsformen kann das sekundäre optische Element in dem Lösungsmittelbad angeordnet sein, und das Lösungsmittel kann abgelassen werden, damit der IRE-Kern sich auf dem sekundären optischen Element an der Zielposition niederlässt und darüberlegt.
  • Wenn das Lösungsmittel getrocknet ist, kann der IRE-Kern einen permanenten Teil des sekundären optischen Elements bilden. In einigen Ausführungsformen kann der IRE-Kern jedoch wie oben allgemein beschrieben an die Zielfläche gesintert, geschweißt oder gebondet werden, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen.
  • Bezug nehmend auf 5 wird ein schematisches Ablaufdiagramm eines weiteren beispielhaften Verfahrens 500 zum Fertigen eines optischen Verarbeitungselements gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dargestellt. Das Verfahren 500 kann in gewisser Hinsicht dem Verfahren 200 aus 2 gleichen und lässt sich daher am besten unter Bezugnahme darauf nachvollziehen, wobei gleiche Elemente oder Schritte wie im Verfahren 200 im Folgenden nicht erneut ausführlich beschrieben werden. Ähnlich wie bei dem Verfahren 200 aus 2 können optische Verarbeitungselemente, die sich durch das Ausführen des Verfahrens 500 ergeben, im Wesentlichen dem IRE-Kern 100 aus 1 gleichen, und in anderer Weise zum Analysieren eines Probenmaterials für einen interessierenden Analyten oder eine interessierende Charakteristik im Zusammenhang mit dem Probenmaterial nützlich sein.
  • Gemäß dem Verfahren 500 kann zunächst ein Substrat für das optische Verarbeitungselement bereitgestellt werden, wie bei 502. Erneut können geeignete Substrate aus einem Material hergestellt sein, das in einer einzelnen Ebene spaltbar ist, und/oder einem Material, das durch chemische Mittel von dem optischen Verarbeitungselement entfernt werden kann. Zu geeigneten Substratmaterialien gehören auch solche, die erhöhten Temperaturen standhalten können, die in der Regel mit Dünnschichtabscheidungsprozessen und -techniken einhergehen. Zu geeigneten Materialien für das Substrat gehören, ohne darauf beschränkt zu sein, Glimmer, pyrolitischer Kohlenstoff, Graphit, Graphen und beliebige andere Materialien, die im Wesentlichen ähnliche chemische Zusammensetzungen oder Atomstrukturen aufweisen.
  • In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren 500 das Vorbereiten der Fläche des Substrats beinhalten, wie bei 504 und ähnlich wie 202 des Verfahrens 200. Wie oben erörtert, kann das Vorbereiten der Fläche des Substrats das chemische oder mechanische Reduzieren der Dicke des Substrats beinhalten, bis eine gewünschte oder vorgegebene Dicke des Substrats erzielt wird. Das Vorbereiten der Fläche des Substrats kann chemisches Behandeln der Fläche des Substrats beinhalten, damit es empfänglicher oder aufnahmefähiger für einen bestimmten Dünnschichtabscheidungsprozess wird.
  • Sobald die Fläche des Substrats passend oder geeignet vorbereitet wurde, können durch einen Dünnschichtabscheidungsprozess mehrere optische Dünnschichten auf dem Substrat abgeschieden werden, wie bei 506, wodurch eine mehrlagige Schichtstapelvorrichtung erzeugt wird. In der vorliegenden Ausführungsform des Verfahrens 500 ist der Dünnschichtabscheidungsprozess nicht auf einen ALA-Prozess beschränkt, sondern beinhaltet eine beliebige unter einschlägigen Fachleuten bekannte chemische oder physikalische Dünnschichtabscheidungstechnik, darunter, ohne darauf beschränkt zu sein, Metallisieren, Abscheiden chemischer Lösungen, Schleuderbeschichten, chemische Gasphasenabscheidung, plasmagestützte chemische Gasphasenabscheidung, physikalische Gasphasenabscheidung, Sputtering, gepulste Laserabscheidung, Kathodenbogenabscheidung, elektrohydrodynamische Abscheidung (d. h. Electrosprayabscheidung) und ionengestützte Elektronenstrahlabscheidung.
  • Das Abscheiden der mehreren optischen Dünnschichten auf dem Substrat kann das Anordnen des Substrats in einer Reaktionskammer und das Anordnen des Substrats an einer Haltestruktur in der Reaktionskammer beinhalten, derart, dass eine Fläche des Substrats der Umgebung der Reaktionskammer ausgesetzt ist. Während des Abscheidungsprozesses werden die optischen Dünnschichten sequenziell (d. h. aufeinanderfolgend) auf der freiliegenden Fläche des Substrats abgeschieden. Wie bei den Ausführungsformen aus Verfahren 200 kann eine beliebige Anzahl optischer Dünnschichtlagen mit einer beliebigen gewünschten Dicke auf dem Substrat abgeschieden werden. In wenigstens einer Ausführungsform kann zudem die anfängliche oder erste auf dem Substrat abgeschiedene Lage aus einem Metalloxidmaterial wie etwa Aluminiuoxid (Al2O3) oder Titandioxid (TiO2) hergestellt werden, um eine geeignete Anhaftung an dem Substrat zu erzeugen und dadurch die Dünnschichten vor einem versehentlichen Entfernen von dem Substrat zu schützen. Die erste und/oder letzte optische Dünnschichtlage kann auch in einer Dicke abgeschieden werden, die allgemein größer als die zwischengeordneter optischer Dünnschichtlagen ist, um dadurch eine robustere mehrlagige Schichtstapelvorrichtung zu erzeugen.
  • Nach dem Abscheiden der optischen Dünnschichtlagen auf dem Substrat und dem Erzeugen der mehrlagigen Schichtstapelvorrichtung, wie bei 506, kann das Verfahren 500 das Entfernen des Substrats von der mehrlagigen Schichtstapelvorrichtung beinhalten, wie bei 508, wodurch ein Stapel optischer Dünnschichten bereitgestellt wird, der als ein IRE-Kern verwendet werden kann, wie oben allgemein beschrieben. Es sei erneut angemerkt, dass das „Entfernen“ des Substrats von dem optischen Dünnschichtstapel auch das Minimieren der Dicke des Substrats und anderweitige nicht vollständige Entfernen aller Reste des Substrats von den optischen Dünnschichten beinhaltet. Entsprechend soll der Begriff „Entfernen“ im hier verwendeten Sinne das Minimieren oder das vollständige Entfernen des Substrats von den optischen Dünnschichten bezeichnen.
  • Wie bei den Ausführungsformen des Verfahrens 200 kann das Substrat chemisch oder mechanisch von dem optischen Dünnschichtstapel entfernt werden. Beim chemischen Entfernen des Substrats können Lagen des Substrats entfernt werden, indem das Substrat einer Oxidation bei niedriger Temperatur unterzogen wird, wobei das Substrat Sauerstoff (O2) oder Ozon (O3) ausgesetzt wird und/oder der optische Dünnschichtstapel in einem Lösungsmittelbad angeordnet wird, damit ein Lösungsmittel das Substrat ätzen oder auflösen kann. Beim mechanischen Entfernen des Substrats können Lagen des Substrats nacheinander unter Verwendung von tangential auf das Substrat ausgeübter Scherkräfte entfernt werden, oder es kann, wie im Fall von Graphit, übliches Klebeband verwendet werden, um Atomlagen von Graphit (d. h. Graphenlagen) nacheinander zu entfernen, bis eine gewünschte Dicke (einschließlich keiner Dicke) des Substrats verbleibt. In wieder anderen Ausführungsformen können die optischen Dünnschichten flexibel sein, derart, dass bei einem Biegen des optischen Dünnschichtstapels das Substrat von der ersten Lage „abplatzen“ kann oder in anderer Weise mit Kraft vom optischen Dünnschichtstapel entfernt wird. Dies kann der Fall sein, wenn das Substratmaterial beispielsweise Glimmer ist.
  • Das Verfahren 500 kann ferner Unterteilen des optischen Dünnschichtstapels in mehrere kleinere optische Dünnschichtstapel beinhalten, wie bei 510, wodurch die einzelnen kleineren optischen Dünnschichtstapel als ein IRE-Kern verwendet werden können. Es versteht sich jedoch, dass das Unterteilen des optischen Dünnschichtstapels auch vor dem Entfernen des Substrats von der mehrlagigen Schichtstapelvorrichtung erfolgen kann, wie bei 508, wodurch Erzeugen mehrere kleinere optische Dünnschichtstapel mit einem darauf verbleibenden Abschnitt des Substrats erzeugt werden. Entsprechend können in wenigstens einer Ausführungsform die Schritte 508 und 510 des Verfahrens 500 umgekehrt sein, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen.
  • Das Verfahren 500 kann ferner das Anordnen des IRE-Kerns/der IRE-Kerne auf einer Zielfläche beinhalten, wie bei 512. Das Anordnen des IRE-Kerns/der IRE-Kerne auf einer Zielfläche kann das Anbringen oder anderweitige Anhaften des IRE-Kerns/der IRE-Kerne an einem sekundären optischen Element beinhalten, das entweder dem Dünnschichtabscheidungsprozess nicht standgehalten hätte oder dessen Anordnung in der Reaktionskammer schwierig gewesen wäre. Das sekundäre optische Element ist oben definiert und wird daher nicht erneut ausführlich beschrieben.
  • Ähnlich wie Schritt 214 des Verfahrens 200 aus 2 kann der IRE-Kern/können die IRE-Kerne manuell auf dem sekundären optischen Element angeordnet werden, etwa von Hand oder in anderer Weise durch die Verwendung eines Werkzeugs oder einer Vorrichtung. Der oder die IRE-Kerne können auch in einem Lösungsmittelbad schwimmend auf der Zielfläche angeordnet werden, etwa durch Erfassen eines jeweiligen IRE-Kerns unter Ausnutzung von Oberflächenspannungskräften, während der IRE-Kern in dem Lösungsmittelbad schwimmt, oder durch Ablassen der Fluide aus dem Lösungsmittelbad, so dass der jeweilige IRE-Kern sich auf dem sekundären optischen Element an einer Zielfläche niederlässt und darüberlegt. Wenn das Lösungsmittel getrocknet ist, kann der IRE-Kern am sekundären optischen Element angebracht sein. In anderen Ausführungsformen kann der IRE-Kern jedoch an der Zielfläche mithilfe bekannter Sinter-, Schweiß- oder Bonding-Techniken an das sekundäre optische Element gebondet oder in anderer Weise daran angebracht werden.
  • In einigen Ausführungsformen kann der IRE-Kern oder können die IRE-Kerne mit einem Klebstoff an der Zielfläche befestigt werden. Der Klebstoff kann optisch transparent sein oder anderenfalls um den Umfang des IRE-Kerns herum (und nicht an seinen zentralen Positionen) aufgebracht werden, so dass Licht, das durch den IRE-Kern und das sekundäre optische Element tritt, von dem Klebstoff nicht beeinträchtigt wird. Wenn der Klebstoff getrocknet ist, kann der IRE-Kern wirksam an das sekundäre optische Element gebondet sein. In einigen Ausführungsformen können dann die verbleibenden Abschnitte des Substrats (falls vorhanden) chemisch geätzt oder in anderer Weise von den optischen Dünnschichtlagen entfernt werden. In anderen Ausführungsformen können der oder die IRE-Kerne an der Zielfläche mithilfe bekannter Sinter-, Schweiß- oder Bonding-Techniken an das sekundäre optische Element gebondet oder in anderer Weise daran angebracht werden. In wieder anderen Ausführungsformen können die verbleibenden Abschnitte des Substrats auf dem oder den IRE-Kernen chemisch geätzt oder in anderer Weise umgesetzt werden, um Teile der darunterliegenden Zielfläche oder den IRE-Kern zu schmelzen und dadurch eine ausreichende Anhaftung an dem sekundären optischen Element zu bilden.
  • Bezug nehmend auf 6 stellt diese eine beispielhafte optische Rechenvorrichtung 600 zum Überwachen eines Probenmaterials 602 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dar. In der dargestellten Ausführungsform kann das Probenmaterial 602 in einem beispielhaften Strömungsweg 604 enthalten sein oder in anderer Weise darin strömen. Der Strömungsweg 604 kann eine Durchflussleitung, eine Rohrleitung, ein Bohrloch, ein in einem Bohrloch definierter Ringraum oder beliebige Durchflussleitungen oder Rohrleitungen sein, die sich zu/von einem Bohrloch erstrecken. Das Probenmaterial 602 im Strömungsweg 604 kann in der allgemeinen Richtung strömen, die durch die Pfeile A angezeigt ist (d. h. von stromaufwärts nach stromabwärts). Es versteht sich jedoch, dass der Strömungsweg 604 eine beliebige Art von Strömungsweg sein kann, so etwa eine Schlammgrube (d. h. für Bohrfluide und dergleichen) oder ein anderer Aufbewahrungs- oder Lagerungsbehälter, und dass das Probenmaterial 602 nicht zwingend in Richtung A strömen muss, während das Probenmaterial 602 überwacht wird. Somit können Abschnitte des Strömungswegs 604 im Wesentlichen vertikal, im Wesentlichen horizontal oder in einer beliebigen Richtungs Konfiguration dazwischen angeordnet sein, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen.
  • Die optische Rechenvorrichtung 600 kann dazu konfiguriert sein, eine interessierende Charakteristik im Probenmaterial 602 oder eine Komponente zu bestimmen, die im Probenmaterial 602 vorhanden ist. In einigen Ausführungsformen kann die Vorrichtung 600 eine elektromagnetische Strahlungsquelle 608 beinhalten, die dazu konfiguriert ist, elektromagnetische Strahlung 610 abzugeben oder in anderer Weise zu erzeugen. Die elektromagnetische Strahlungsquelle 608 kann eine beliebige Vorrichtung sein, die elektromagnetische Strahlung abstrahlen oder erzeugen kann, wie etwa, ohne darauf beschränkt zu sein, eine Glühbirne, eine Leuchtdiode (LED), ein Laser, ein Schwarzkörper, ein photonischer Kristall, eine Röntgenquelle, Kombinationen davon oder dergleichen. In einigen Ausführungsformen kann eine Linse 612 dazu konfiguriert sein, die elektromagnetische Strahlung 610 aufzufangen oder in anderer Weise zu empfangen und einen Strahl 614 elektromagnetischer Strahlung 610 zum Probenmaterial 602 zu lenken. In anderen Ausführungsformen kann die Linse 612 aus der Vorrichtung 600 wegfallen, und die elektromagnetische Strahlung 610 kann stattdessen direkt von der elektromagnetischen Strahlungsquelle 608 zum Probenmaterial 602 gelenkt werden.
  • In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die Vorrichtung 600 auch ein Abtastfenster 616 beinhalten, das benachbart zu dem Probenmaterial 602 angeordnet ist oder in anderer Weise zu Erfassungszwecken damit in Kontakt steht. Das Abtastfenster 616 kann aus verschiedenen transparenten, starren oder halbstarren Materialien hergestellt sein, die dazu konfiguriert sind, das Durchlassen der elektromagnetischen Strahlung 610 zuzulassen. Nachdem sie durch das Abtastfenster 616 getreten ist, trifft die elektromagnetische Strahlung 610 auf das Probenmaterial 602 und interagiert optisch damit, einschließlich etwaiger Komponenten, die in dem Probenmaterial 602 vorhanden sind. Auf diese Weise wird Strahlung mit optischer Interaktion 618 von dem Probenmaterial 602 erzeugt und reflektiert. Einschlägige Fachleute werden jedoch erkennen, dass alternative Abwandlungen der Vorrichtung 600 zulassen können, dass die Strahlung mit optischer Interaktion 618 erzeugt wird, indem sie von dem Probenmaterial 602 durchgelassen, gestreut, gebeugt, absorbiert, abgestrahlt oder erneut abgestrahlt wird, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen.
  • Die Strahlung mit optischer Interaktion 618, die durch die Interaktion mit dem Probenmaterial 602 erzeugt wird, kann zu einem IRE-Kern 620, der in der Vorrichtung 600 angeordnet ist, gelenkt werden oder in anderer Weise davon empfangen werden. Der IRE-Kern 620 kann eine Spektralkomponente sein, die im Wesentlichen dem IRE-Kern 100 gleicht, der oben unter Bezugnahme auf 1 beschrieben und unter Verwendung von einem der Verfahren 200, 500 aus 2 bzw. 5 hergestellt wurde, wie oben erörtert. Entsprechend kann der IRE-Kern 620 im Betrieb dazu konfiguriert sein, die Strahlung mit optischer Interaktion 618 zu empfangen und modifizierte elektromagnetische Strahlung 622 zu erzeugen, die einer bestimmten Charakteristik des Probenmaterials 602 entspricht. Insbesondere ist die modifizierte elektromagnetische Strahlung 622 elektromagnetische Strahlung, die optisch mit dem IRE-Kern 620 interagiert hat, wodurch eine annäherungsweise Nachahmung des Regressionsvektors, der der Charakteristik des Probenmaterials 602 entspricht, erlangt wird.
  • Obwohl 6 darstellt, dass der IRE-Kern 620 reflektierte elektromagnetische Strahlung von dem Probenmaterial 602 empfängt, kann der IRE-Kern 620 an einem beliebigen Punkt an der optischen Folge der Vorrichtung 600 angeordnet sein, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. Beispielsweise kann der IRE-Kern 620 in einer oder mehreren Ausführungsformen (wie durch gestrichelte Linien gezeigt) in der optischen Folge vor dem Abtastfenster 616 angeordnet sein und in gleicher Weise im Wesentlichen die gleichen Ergebnisse erlangen. In anderen Ausführungsformen wiederum kann der IRE-Kern 620 die modifizierte elektromagnetische Strahlung 622 durch Reflexion anstelle von Durchlassen erzeugen.
  • Die modifizierte elektromagnetische Strahlung 622, die vom IRE-Kern 620 erzeugt wird, kann anschließend zur Quantifizierung des Signals an einen Detektor 624 geleitet werden. Der Detektor 624 kann eine beliebige Vorrichtung sein, die elektromagnetische Strahlung erkennen kann, und kann allgemein als ein optischer Messwandler charakterisiert werden. In einigen Ausführungsformen kann der Detektor 624, ohne darauf beschränkt zu sein, ein Wärmedetektor wie etwa eine Thermosäule oder ein fotoakustischer Detektor, ein Halbleiterdetektor, ein piezoelektrischer Detektor, ein Detektor mit ladungsgekoppelter Vorrichtung (CCD, charge coupled device), ein Video- oder Array-Detektor, ein geteilter Detektor, ein Photonendetektor (etwa ein Photoelektronenvervielfacher), Fotodioden, Kombinationen davon oder dergleichen oder andere Detektoren sein, die einschlägigen Fachleuten bekannt sind.
  • In einigen Ausführungsformen kann der Detektor 624 dazu konfiguriert sein, ein Ausgangssignal 626 in Echtzeit oder nahezu in Echtzeit in der Form einer Spannung (oder eines Stroms) zu erzeugen, das der bestimmten interessierenden Charakteristik im Probenmaterial 602 entspricht. Die vom Detektor 624 zurückgegebene Spannung ist im Wesentlichen ein Punktprodukt der optischen Interaktion der Strahlung mit optischer Interaktion 618 mit dem jeweiligen IRE-Kern 620 in Abhängigkeit von der Konzentration der interessierenden Charakteristik des Probenmaterials 602. Auf diese Weise können das Ausgangssignal 626, das vom Detektor 624 erzeugt wird, und die Konzentration der Charakteristik beispielsweise in einer direkt proportionalen Beziehung stehen. In anderen Ausführungsformen kann die Beziehung jedoch einer Polynomfunktion, einer Exponentialfunktion, einer logarithmischen Funktion und/oder einer Kombination davon entsprechen.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Vorrichtung 600 einen zweiten Detektor 628 beinhalten, der ähnlich wie der erste Detektor 624 sein kann, indem er eine beliebige Vorrichtung sein kann, die elektromagnetische Strahlung erkennen kann. Der zweite Detektor 628 kann dazu verwendet werden, Strahlungsabweichungen zu erkennen, die von der elektromagnetischen Strahlungsquelle 608 herrühren. Unerwünschte Strahlungsabweichungen in der Stärke der elektromagnetischen Strahlung 610 können aus vielen verschiedenen Gründen auftreten und verschiedene negative Auswirkungen auf die Vorrichtung 600 haben. Diese negativen Auswirkungen können besonders für Messungen über Zeiträume hinweg nachteilig sein. In einigen Ausführungsformen können Strahlungsabweichungen aufgrund des Aufbaus von Film oder Material am Abtastfenster 616 auftreten, das derart wirkt, dass es die Menge und Qualität des Lichts reduziert, das schließlich den ersten Detektor 624 erreicht. Ohne angemessene Kompensierung können Strahlungsabweichungen zu falschen Messwerten führen, und das Ausgangssignal 626 stünde dann nicht mehr primär oder genau mit der interessierenden Eigenschaft in Beziehung.
  • Um diese Arten unerwünschter Auswirkungen zu kompensieren, kann der zweite Detektor 628 dazu konfiguriert sein, ein Korrektursignal 630 zu erzeugen, das allgemein die Strahlungsabweichungen der elektromagnetischen Strahlungsquelle 608 angibt, und dadurch das Ausgangssignal 626 zu normieren, das vom ersten Detektor 624 erzeugt wird. Wie dargestellt, kann der zweite Detektor 628 dazu konfiguriert sein, einen Teil der Strahlung mit optischer Interaktion 618 über einen Strahlteiler 632 zu empfangen, um die Strahlungsabweichungen zu erkennen. In anderen Ausführungsformen aber kann der zweite Detektor 628 dazu angeordnet sein, elektromagnetische Strahlung von einem beliebigen Abschnitt der optischen Folge in der Vorrichtung 600 zu empfangen, um die Strahlungsabweichungen zu erfassen, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen.
  • In einigen Anwendungen können das Ausgangssignal 626 und das Korrektursignal 630 an eine Signalverarbeitungseinheit 634, die kommunizierend an beide Detektoren 624, 628 gekoppelt ist, gesendet oder in anderer Weise davon empfangen werden. Die Signalverarbeitungseinheit 634 kann ein Computer mit einem Prozessor und einem maschinenlesbaren Speichermedium sein, auf dem Anweisungen gespeichert sind, die bei Ausführung durch den Prozessor 634 die optische Rechenvorrichtung 600 veranlassen, eine Anzahl von Vorgängen auszuführen, etwa das Bestimmen einer interessierenden Eigenschaft des Probenmaterials 602. Beispielsweise kann die Konzentration jeder Eigenschaft, die mit der optischen Rechenvorrichtung 600 erfasst wurde, in einen Algorithmus eingespeist werden, der von der Signalverarbeitungseinheit 634 ausgeführt wird. Der Algorithmus kann Teil eines künstlichen neuronalen Netzes sein, das dazu konfiguriert ist, die Konzentration jeder erkannten Charakteristik zum Bewerten der Gesamtcharakteristik(en) oder -qualität des Probenmaterials 602 zu verwenden.
  • Die Signalverarbeitungseinheit 634 kann auch dazu konfiguriert sein, das Korrektursignal 630 rechnerisch mit dem Ausgangssignal 626 zu kombinieren, um das Ausgangssignal 626 in Bezug auf Strahlungsabweichungen zu normieren, die von dem zweiten Detektor 628 erfasst werden. Die Signalverarbeitungseinheit 634 kann dazu konfiguriert sein, ein resultierendes Ausgangssignal 636, das einer Konzentration der interessierenden Charakteristik im Probenmaterial 602 entspricht, in Echtzeit oder nahezu in Echtzeit bereitzustellen.
  • Bezug nehmend nun auf 7 und weiterhin unter Bezugnahme auf 6 wird eine beispielhafte Bohrlochbohrbaugruppe 700 dargestellt, die die optische Rechenvorrichtung 600 aus 6 verwenden kann, die den IRE-Kern 620 beinhaltet, um einen Bohrvorgang zu überwachen, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Die Bohrbaugruppe 700 kann eine Bohrplattform 702 beinhalten, die einen Bohrturm 704 mit einem Kranblock 706 zum Anheben und Absenken eines Bohrstrangs 708 trägt. Eine Mitnehmerstange 710 trägt den Bohrstrang 708, während er durch einen Drehmeißel 714 hindurch abgesenkt wird. Ein Bohrmeißel 714 ist am distalen Ende des Bohrstrangs 708 angebracht und wird entweder durch einen Untertagemotor und/oder mittels Drehung des Bohrstrangs 708 von der Bohrlochoberfläche angetrieben. Während sich der Bohrmeißel 714 dreht, erzeugt er ein Bohrloch 716, das durch verschiedene unterirdische Formationen 718 dringt.
  • Eine Pumpe 720 (z. B. Schlammpumep) zirkuliert Bohrfluid 722 durch ein Speiserohr 724 und zur Mitnehmerstange 710, die das Bohrfluid 722 durch eine Innenleitung, die im Bohrstrang 708 definiert ist, und durch eine oder mehrere Öffnungen im Bohrmeißel 714 ins Bohrloch leitet. Das Bohrfluid 722 wird dann über einen Ringraum 726, der zwischen dem Bohrstrang 708 und den Wänden des Bohrlochs 716 definiert ist, zurück zur Oberfläche zirkuliert. An der Oberfläche tritt das rezirkulierte oder verbrauchte Bohrfluid 722 aus dem Ringraum 726 und kann über eine Verbindungsleitung an ein oder mehrere Feststoffkontrollgeräte 728 und anschließend an eine Aufnahmegrube 730 geleitet werden. Das Bohrfluid 722 kann dann über die Pumpe 720 zurück ins Bohrloch zirkuliert werden.
  • Eine Bohrgarnitur (BHA) 732 kann sich bei oder nahe dem Bohrmeißel 714 in dem Bohrstrang 708 befinden. Die BHA 732 kann beliebige von einer Anzahl von Sensormodulen beinhalten, zu denen Formationsbeurteilungssensoren und Richtungssensoren gehören können, wie etwa Measuring-while-Drilling(Messung während des Bohrens)- und/oder Logging-while-Drilling(Vermessung während des Bohrens)-Werkzeuge. Die BHA 732 kann ferner wenigstens eine optische Rechenvorrichtung 734, ähnlich der optischen Rechenvorrichtung 600 aus 6, beinhalten. Die optische Rechenvorrichtung 734 kann dazu konfiguriert sein, das Bohrfluid 722 im Ringraum 726 zu überwachen, während es zur Oberfläche zurückkehrt. Die optische Rechenvorrichtung 734 kann wenigstens einen IRE-Kern (nicht dargestellt) beinhalten, der im Wesentlichen den oben beschriebenen und nach einem der Verfahren 200, 500 aus 2 bzw. 5 gefertigten IRE-Kernen 100, 600 gleicht, wie oben erörtert. In einigen Ausführungsformen kann die Bohrbaugruppe 700 ferner eine weitere optische Rechenvorrichtung 736 beinhalten, die dazu angeordnet sein kann, das Bohrfluid 722 zu überwachen, während es rezirkuliert wird oder in anderer Weise aus dem Bohrloch 716 austritt. Die optische Rechenvorrichtung 734 kann auch wenigstens einen IRE-Kern (nicht dargestellt) beinhalten, der im Wesentlichen den oben beschriebenen und nach einem der Verfahren 200, 500 aus 2 bzw. 5 gefertigten IRE-Kernen 100, 600 gleicht, wie oben erörtert.
  • Obwohl die optischen Rechenvorrichtungen 734, 736 als in Verbindung mit einer Bohrbaugruppe 700 verwendet dargestellt werden, versteht es sich, dass eine oder beide optischen Rechenvorrichtungen 734, 736 in Verbindung mit mehreren anderen Untertagewerkzeugen beim Erlangen verschiedener Untertagemessungen verwendet werden können. Beispielsweise können die optischen Rechenvorrichtungen 734, 736 in Verbindung mit, ohne darauf beschränkt zu sein, einem Abtastwerkzeug einer Wireline-Anwendung, einer Messvorrichtung, die Förderrohren zugeordnet ist, usw. verwendet werden, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen.
  • Hier offenbarte Ausführungsformen beinhalten:
    • A. Ein Verfahren, das Folgendes beinhaltet: Bereitstellen eines Substrats, das wenigstens eine erste Fläche und eine zweite Fläche gegenüber der ersten Fläche aufweist, Abscheiden mehrerer optischer Dünnschichten auf der ersten und zweiten Fläche des Substrats durch einen Dünnschichtabscheidungsprozess, und dadurch Erzeugen einer mehrlagigen Schichtstapelvorrichtung, Spalten des Substrats, um wenigstens zwei optische Dünnschichtstapel zu erzeugen, und Befestigen von einem oder mehreren der wenigstens zwei optischen Dünnschichtstapel an einem sekundären optischen Element zur Verwendung als ein integriertes Rechenelement (IRE).
    • B. Ein Verfahren, das Folgendes beinhaltet: Bereitstellen eines Substrats, Abscheiden mehrerer optische Dünnschichten auf einer Fläche des Substrats durch einen Dünnschichtabscheidungsprozess und dadurch Erzeugen eines optischen Dünnschichtstapels, Entfernen wenigstens eines Abschnitts des Substrats von dem optischen Dünnschichtstapel, und Befestigen des optischen Dünnschichtstapels an einem sekundären optischen Element zur Verwendung als ein integriertes Rechenelement (IRE).
    • C. Ein System, das ein Untertagewerkzeug, das in ein Bohrloch einführbar ist, das eine unterirdische Formation durchdringt, und eine optische Rechenvorrichtung beinhaltet, die an dem Untertagewerkzeug angeordnet ist und dazu konfiguriert ist, einen Stoff in dem Bohrloch zu überwachen, wobei die optische Rechenvorrichtung wenigstens ein integriertes Rechenelement (IRE) beinhaltet, das nach den folgenden Schritten gefertigt wurde: Bereitstellen eines Substrats, das wenigstens eine erste Fläche und eine zweite Fläche im Wesentlichen gegenüber der ersten Fläche aufweist, Abscheiden mehrerer optischer Dünnschichten auf der ersten und zweiten Fläche des Substrats durch einen Dünnschichtabscheidungsprozess, und dadurch Erzeugen einer mehrlagigen Schichtstapelvorrichtung, und Spalten des Substrats, um wenigstens zwei optische Dünnschichtstapel zu erzeugen, wobei einer der wenigstens zwei optischen Dünnschichtstapel das wenigstens eine IRE ist.
  • Jede der Ausführungsformen A, B und C kann eines oder mehrere der folgenden Elemente in beliebiger Kombination aufweisen: Element 1: wobei das Substrat planar ist. Element 2: wobei das Substrat wenigstens eins von Glimmer, pyrolitischem Kohlenstoff, Graphit und Graphen ist. Element 3: wobei dem Abscheiden der mehrere optische Dünnschichten auf dem Substrat das Vorbereiten der ersten und zweiten Fläche des Substrats vorangeht. Element 4: wobei das Vorbereiten der ersten und zweiten Fläche des Substrats Reduzieren einer Dicke des Substrats auf entweder chemische oder mechanische Weise umfasst. Element 5: wobei das Vorbereiten der ersten und zweiten Fläche des Substrats chemisches Behandeln von wenigstens einer von der ersten und zweiten Fläche umfasst, damit sie empfänglicher für den Dünnschichtabscheidungsprozess wird. Element 6: wobei der Dünnschichtabscheidungsprozess ein Atomlagenabscheidungs(ALA)-Prozess ist, und wobei das Abscheiden der mehreren optischen Dünnschichten auf der ersten und zweiten Fläche des Substrats Aufhängen des Substrats in einer ALA-Reaktionskammer und sequenzielles Aufwachsen mehrerer optischer Dünnschichtlagen sowohl auf der ersten als auch zweiten Fläche des Substrats umfasst. Element 7: wobei eine erste optische Dünnschichtlage der mehreren optischen Dünnschichtlagen aus einem Metalloxid hergestellt wird. Element 8: ferner umfassend Abscheiden der ersten optischen Dünnschichtlage in einer Dicke, die größer als eine benachbarte optische Dünnschichtlage ist. Element 9: wobei dem Spalten des Substrats Unterteilen der mehrlagigen Schichtstapelvorrichtung in mehrere optische Dünnschichteinheiten vorausgeht. Element 10: wobei dem Befestigen des einen oder der mehreren der wenigstens zwei optischen Dünnschichtstapel an dem sekundären optischen Element Entfernen des Substrats von dem einen oder mehreren der wenigstens zwei optischen Dünnschichtstapel vorausgeht. Element 11: ferner umfassend chemisches Entfernen des Substrats von dem einen oder mehreren der wenigstens zwei optischen Dünnschichtstapel durch wenigstens eins von Unterziehen des Substrats einer Oxidation bei niedriger Temperatur, Verbrennen des Substrats und Auflösen des Substrats in einem Lösungsmittelbad. Element 12: wobei das Befestigen des einen oder der mehreren der wenigstens zwei optischen Dünnschichtstapel an dem sekundären optischen Element wenigstens eins von Verwenden eines Klebstoffs, Sintern von Kanten des einen oder der mehreren der wenigstens zwei optischen Dünnschichtstapel und Schmelzen einer Zielfläche des sekundären optischen Elements umfasst. Element 13: wobei das Befestigen des einen oder der mehreren der wenigstens zwei optischen Dünnschichtstapel an dem sekundären optischen Element chemisches Umsetzen des Substrats des einen oder der mehreren der wenigstens zwei optischen Dünnschichtstapel und Schmelzen einer Zielfläche des sekundären optischen Elements umfasst, um den einen oder die mehreren der wenigstens zwei optischen Dünnschichtstapel an das sekundäre optische Element zu bonden.
  • Element 14: wobei dem Abscheiden der mehreren optischen Dünnschichten auf dem Substrat Vorbereiten der Fläche des Substrats auf entweder chemische oder mechanische Weise vorausgeht. Element 15: wobei dem Befestigen des optischen Dünnschichtstapels an dem sekundären optischen Element Unterteilen des optischen Dünnschichtstapels in mehrere optische Dünnschichtstapel vorausgeht. Element 16: wobei dem Entfernen des wenigstens einen Abschnitts des Substrats von dem optischen Dünnschichtstapel Befestigen des optischen Dünnschichtstapels an dem sekundären optischen Element vorausgeht. Element 17: ferner umfassend chemisches Umsetzen des Substrats und dadurch Schmelzen einer Zielfläche des sekundären optischen Elements, um den optischen Dünnschichtstapel an das sekundäre optische Element zu bonden. Element 18: wobei das Entfernen des Abschnitts des Substrats von dem optischen Dünnschichtstapel chemisches Entfernen des Substrats von dem optischen Dünnschichtstapel durch wenigstens eins von Unterziehen des Substrats einer Oxidation bei niedriger Temperatur, Verbrennen des Substrats und Auflösen des Substrats in einem Lösungsmittelbad umfasst. Element 19: wobei das sekundäre optische Element eine Komponente einer optischen Rechenvorrichtung ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Abschnitt eines Filterrads, einem Bandpassfilter, einer Linse, einer Fläche eines Lichtwellenleiters, einem Abtastfenster, einem optischen Saphirelement, einem nicht planaren optischen Element und einem Detektor. Element 20: wobei das Befestigen des optischen Dünnschichtstapels an dem sekundären optischen Element wenigstens eins von Verwenden eines Klebstoffs, Sintern von Kanten des optischen Dünnschichtstapels und Schmelzen einer Zielfläche des sekundären optischen Elements umfasst. Element 21: wobei das Befestigen des optischen Dünnschichtstapels an dem sekundären optischen Element chemisches Umsetzen des Substrats des optischen Dünnschichtstapels und dadurch Schmelzen einer Zielfläche des sekundären optischen Elements umfasst, um den optischen Dünnschichtstapel an das sekundäre optische Element zu bonden.
  • Element 22: wobei das wenigstens eine IRE an einem sekundären optischen Element der optischen Rechenvorrichtung befestigt wird, und wobei das sekundäre optische Element eine Komponente ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Abschnitt eines Filterrads, einem Bandpassfilter, einer Linse, einer Fläche eines Lichtwellenleiters, einem Abtastfenster, einem optischen Saphirelement, einem nicht planaren optischen Element und einem Detektor. Element 23: wobei das Untertagewerkzeug ein Werkzeug ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einer Bohrgarnitur, einem Abtastwerkzeug einer Wireline-Anwendung und einer Messvorrichtung, die Förderrohren zugehörig ist.
  • Daher eignen sich die offenbarten Systeme und Verfahren gut, um die genannten sowie darin inhärenten Ziele und Vorteile zu erreichen. Die jeweiligen offenbarten Ausführungsformen sind nur veranschaulichend, und die Lehren der vorliegenden Offenbarung können in unterschiedlicher, aber äquivalenter Weise abgewandelt und ausgeübt werden, wie es für einschlägige Fachleute mit dem Vorteil der vorliegenden Lehren auf der Hand liegen wird. Darüber hinaus sind hinsichtlich der Einzelheiten der hier gezeigten Konstruktion oder Auslegung keine anderen Einschränkungen als die in den nachfolgenden Ansprüchen beschriebenen vorgesehen. Es ist somit deutlich, dass die oben offenbarten jeweiligen veranschaulichenden Ausführungsformen geändert, kombiniert oder abgewandelt werden können und dass alle derartigen Variationen als in den Umfang der vorliegenden Offenbarung fallend betrachtet werden. Die hier veranschaulichend offenbarten Systeme und Verfahren können in geeigneter Weise unter Weglassung beliebiger Elemente, die hier nicht spezifisch offenbart wurden, und/oder beliebiger hier offenbarter fakultativer Elemente ausgeübt werden. Obwohl Zusammenstellungen und Verfahren als verschiedene Komponenten oder Schritte „umfassend“, „enthaltend“ oder „beinhaltend“ beschrieben wurden, können die Zusammenstellungen und Verfahren auch aus den verschiedenen Komponenten und Schritten „im Wesentlichen bestehen“ oder „bestehen“. Alle oben offenbarten Zahlen und Bereiche können um eine gewisse Menge variieren. Immer wenn ein numerischer Bereich mit einem unteren Grenzwert und einem oberen Grenzwert offenbart ist, ist auch jede Zahl und jeder darin enthaltene Bereich, die bzw. der in diesen Bereich fällt, ausdrücklich offenbart. Insbesondere gilt jeder hier offenbarte Wertebereich (der Form „von etwa a bis etwa b“ oder äquivalent „von ungefähr a bis b“ oder äquivalent „von ungefähr a–b“) als jede Zahl und jeden Bereich aufführend, die bzw. der in den breiter gefassten Wertebereich fällt. Außerdem tragen die Begriffe in den Ansprüchen ihre einfache, gewöhnliche Bedeutung, soweit nicht durch den Patentinhaber ausdrücklich und deutlich anders definiert. Die unbestimmten Artikel „ein“, „eine“, „einer“, „eines“, „einem“ in den Ansprüchen sind dabei derart definiert, dass sie ein oder mehr als eines der Elemente bezeichnen, denen sie vorangestellt sind. Falls ein Widerspruch in der Verwendung eines Worts oder Begriffs in dieser Patentschrift und einem oder mehreren Patent- oder anderen Dokumenten auftritt, die durch Querverweis einbezogen wurden, sind die Definitionen in Übereinstimmung mit dieser Patentschrift anzuwenden.
  • Im hier verwendeten Sinne modifiziert der Ausdruck „wenigstens eins von“, der einer Reihe von Elementen vorangeht, mit den Begriffen „und“ oder „oder“ zum Trennen der Elemente die Auflistung insgesamt anstelle der einzelnen Elemente der Liste (d. h. anstelle eines jeden Elements). Der Ausdruck „wenigstens eins von“ erfordert keine Auswahl von wenigstens einem Element; stattdessen lässt der Ausdruck eine Bedeutung zu, die wenigstens eins der Elemente und/oder wenigstens eine von einer beliebigen Kombination der Elemente und/oder wenigstens eins von jedem der Elemente einschließt. Als Beispiel bezeichnen die Ausdrücke „wenigstens eins von A, B und C“ oder „wenigstens eins von A, B oder C“ jeweils nur A, nur B oder nur C; eine beliebige Kombination von A, B und C; und/oder wenigstens jeweils eins von A, B und C.

Claims (28)

  1. Verfahren, umfassend: Bereitstellen eines Substrats, das wenigstens eine erste Fläche und eine zweite Fläche im Wesentlichen gegenüber der ersten Fläche aufweist; Abscheiden mehrerer optischer Dünnschichten auf der ersten und zweiten Fläche des Substrats durch einen Dünnschichtabscheidungsprozess, und dadurch Erzeugen einer mehrlagigen Schichtstapelvorrichtung; Spalten des Substrats, um wenigstens zwei optische Dünnschichtstapel zu erzeugen; und Befestigen von einem oder mehreren der wenigstens zwei optischen Dünnschichtstapel an einem sekundären optischen Element zur Verwendung als ein integriertes Rechenelement (IRE).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat planar ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Substrat wenigstens eins von Glimmer, pyrolitischem Kohlenstoff, Graphit und Graphen ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei dem Abscheiden der mehreren optischen Dünnschichten auf dem Substrat das Vorbereiten der ersten und zweiten Fläche des Substrats vorangeht.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Vorbereiten der ersten und zweiten Fläche des Substrats Reduzieren einer Dicke des Substrats auf entweder chemische oder mechanische Weise umfasst.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Vorbereiten der und zweiten Fläche des Substrats chemisches Behandeln von wenigstens einer von der ersten und zweiten Fläche umfasst, damit sie empfänglicher für den Dünnschichtabscheidungsprozess wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Dünnschichtabscheidungsprozess ein Atomlagenabscheidungs(ALA)-Prozess ist, und wobei das Abscheiden der mehreren optischen Dünnschichten auf der ersten und zweiten Fläche des Substrats Folgendes umfasst: Aufhängen des Substrats in einer ALA-Reaktionskammer; und sequenzielles Aufwachsen der mehreren optischen Dünnschichtlagen sowohl auf der ersten als auch zweiten Fläche des Substrats.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei eine erste optische Dünnschichtlage der mehreren optischen Dünnschichtlagen aus einem Metalloxid hergestellt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend Abscheiden der ersten optischen Dünnschichtlage in einer Dicke, die größer als eine benachbarte optische Dünnschichtlage ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei dem Spalten des Substrats Unterteilen der mehrlagigen Schichtstapelvorrichtung in mehrere optische Dünnschichteinheiten vorausgeht.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei dem Befestigen des einen oder der mehreren der wenigstens zwei optischen Dünnschichtstapel an dem sekundären optischen Element Entfernen des Substrats von dem einen oder mehreren der wenigstens zwei optischen Dünnschichtstapel vorausgeht.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend chemisches Entfernen des Substrats von dem einen oder mehreren der wenigstens zwei optischen Dünnschichtstapel durch wenigstens eins von Unterziehen des Substrats einer Oxidation bei niedriger Temperatur, Verbrennen des Substrats und Auflösen des Substrats in einem Lösungsmittelbad.
  13. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Befestigen des einen oder der mehreren der wenigstens zwei optischen Dünnschichtstapel an dem sekundären optischen Element wenigstens eins von Verwenden eines Klebstoffs, Sintern von Kanten des einen oder der mehreren der wenigstens zwei optischen Dünnschichtstapel und Schmelzen einer Zielfläche des sekundären optischen Elements umfasst.
  14. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Befestigen des einen oder der mehreren der wenigstens zwei optischen Dünnschichtstapel an dem sekundären optischen Element Folgendes umfasst: chemisches Umsetzen des Substrats des einen oder der mehreren der wenigstens zwei optischen Dünnschichtstapel; und Schmelzen einer Zielfläche des sekundären optischen Elements, um den einen oder die mehreren der wenigstens zwei optischen Dünnschichtstapel an das sekundäre optische Element zu bonden.
  15. Verfahren, umfassend: Bereitstellen eines Substrats; Abscheiden mehrerer optischer Dünnschichten auf einer Fläche des Substrats durch einen Dünnschichtabscheidungsprozess und dadurch Erzeugen eines optischen Dünnschichtstapels; Entfernen wenigstens eines Abschnitts des Substrats von dem optischen Dünnschichtstapel; und Befestigen des optischen Dünnschichtstapels an einem sekundären optischen Element zur Verwendung als ein integriertes Rechenelement (IRE).
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Substrat planar ist.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Substrat wenigstens eins von Glimmer, pyrolitischem Kohlenstoff, Graphit und Graphen ist.
  18. Verfahren nach Anspruch 15, wobei dem Abscheiden der mehreren optischen Dünnschichten auf dem Substrat Vorbereiten der Fläche des Substrats auf entweder chemische oder mechanische Weise vorausgeht.
  19. Verfahren nach Anspruch 15, wobei dem Befestigen des optischen Dünnschichtstapels an dem sekundären optischen Element Unterteilen des optischen Dünnschichtstapels in mehrere optische Dünnschichtstapel vorausgeht.
  20. Verfahren nach Anspruch 15, wobei dem Entfernen des wenigstens einen Abschnitts des Substrats von dem optischen Dünnschichtstapel Befestigen des optischen Dünnschichtstapels an dem sekundären optischen Element vorausgeht.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, ferner umfassend chemisches Umsetzen des Substrats und dadurch Schmelzen einer Zielfläche des sekundären optischen Elements, um den optischen Dünnschichtstapel an das sekundäre optische Element zu bonden.
  22. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Entfernen des Abschnitts des Substrats von dem optischen Dünnschichtstapel chemisches Entfernen des Substrats von dem optischen Dünnschichtstapel durch wenigstens eins von Unterziehen des Substrats einer Oxidation bei niedriger Temperatur, Verbrennen des Substrats und Auflösen des Substrats in einem Lösungsmittelbad umfasst.
  23. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das sekundäre optische Element eine Komponente einer optischen Rechenvorrichtung ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Abschnitt eines Filterrads, einem Bandpassfilter, einer Linse, einer Fläche eines Lichtwellenleiters, einem Abtastfenster, einem optischen Saphirelement, einem nicht planaren optischen Element und einem Detektor.
  24. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Befestigen des optischen Dünnschichtstapels an dem sekundären optischen Element wenigstens eins von Verwenden eines Klebstoffs, Sintern von Kanten des optischen Dünnschichtstapels und Schmelzen einer Zielfläche des sekundären optischen Elements umfasst.
  25. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Befestigen des optischen Dünnschichtstapels an dem sekundären optischen Element chemisches Umsetzen des Substrats des optischen Dünnschichtstapels und dadurch Schmelzen einer Zielfläche des sekundären optischen Elements umfasst, um den optischen Dünnschichtstapel an das sekundäre optische Element zu bonden.
  26. System, umfassend: ein Untertagewerkzeug, das in ein Bohrloch einführbar ist, das eine unterirdische Formation durchdringt; und eine optische Rechenvorrichtung, die an dem Untertagewerkzeug angeordnet ist und dazu konfiguriert ist, einen Stoff in dem Bohrloch zu überwachen, wobei die optische Rechenvorrichtung wenigstens ein integriertes Rechenelement (IRE) beinhaltet, das nach den folgenden Schritten gefertigt wurde: Bereitstellen eines Substrats, das wenigstens eine erste Fläche und eine zweite Fläche im Wesentlichen gegenüber der ersten Fläche aufweist; Abscheiden mehrerer optischer Dünnschichten auf der ersten und zweiten Fläche des Substrats durch einen Dünnschichtabscheidungsprozess, und dadurch Erzeugen einer mehrlagigen Schichtstapelvorrichtung; und Spalten des Substrats, um wenigstens zwei optische Dünnschichtstapel zu erzeugen, wobei einer der wenigstens zwei optischen Dünnschichtstapel das wenigstens eine IRE ist.
  27. System nach Anspruch 26, wobei das wenigstens eine IRE an einem sekundären optischen Element der optischen Rechenvorrichtung befestigt wird, und wobei das sekundäre optische Element eine Komponente ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Abschnitt eines Filterrads, einem Bandpassfilter, einer Linse, einer Fläche eines Lichtwellenleiters, einem Abtastfenster, einem optischen Saphirelement, einem nicht planaren optischen Element und einem Detektor.
  28. System nach Anspruch 26, wobei das Untertagewerkzeug ein Werkzeug ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einer Bohrgarnitur, einem Abtastwerkzeug einer Wireline-Anwendung und einer Messvorrichtung, die Förderrohren zugehörig ist.
DE112014005347.3T 2014-03-21 2014-03-21 Herstellungsverfahren für integrierte Rechenelemente Withdrawn DE112014005347T5 (de)

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